DO AN TOT NGHIEP_Cân điện tử

Cân điện tử có chức năng định lượng được khối lượng của sản phẩm.

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy KS Nguyễn Văn Định đã trực tiếp giúp đỡ

em về thiết bị, định hướng và hướng dẫn em nghiên cứu về một lĩnh vực khá mới

mẻ so với những kiến thức mà em đã học được ở trường, giúp em mở rộng thêm tầm hiểu biết về một lĩnh vực đang phát triển với tốc độ rất nhanh chóng và vô cũng hữu ích trong cuộc sống

Em xin chân thành cảm ơn Bộ môn Cơ Điện tử, các thầy cô trong khoa Cơ khí, Trường Đại Học Nha Trang đã tạo điều kiện thuận lợi cho em được học tập

và truyền thụ nhiều kiến thức cho chúng em làm nền tảng học vấn trên con đường công danh sự nghiệp của mình

Nha Trang, ngày 20 tháng 5 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Trần Công Nguyên

MỤC LỤC

Trang LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

LỜI NĨI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN TỰ ĐỘNG TÍNH TIỀN 2 1.1 Tổng quan về hệ thống cân tự động 3

1.1.1 Các phương pháp đo khối lượng 3

1.1.2 Giới thiệu về hệ thống cân tự động và ứng dụng 4

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước 4

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 4

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 5

1.3 Nhiệm vụ và yêu cầu

6 1.3.1 Nhiệm vụ 6

1.3.2 Phân tích nhiệm vụ 6

1.3.3 Yêu cầu 7

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 8

2.1 Phương pháp nghiên cứu 9

2.2 Nội dung nghiên cứu 9

2.2.1 Cảm biến lực loadcell 9

2.2.2 Vi điều khiển AVR 14

2.2.2.1 Các đặc điểm chính 14

2.2.2.2 Các đặc tính 14

2.2.2.3 Các loại vi điều khiển 15

2.2.3 Vi điều khiển Atmega32 16

2.2.4 Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC 20

2.2.5 Khái niệm truyền thông 25

2.2.5.1 Phương thức truyền thông nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ (USART) 25 2.2.5.2 Thanh ghi 28

2.2.6 Op-amp LM324 29

2.2.7 Bộ hiển thị LCD 31

2.2.7.1 Hoạt động của LCD 31

2.2.7.2 Mô tả các chân của LCD 32

2.3 Thiết kế mô hình 36

2.3.1 Thiết kế cơ khí 36

2.3.1.1 Phương án 1 36

2.3.1.2 Phương án 2 37

2.3.1.3 Phương án 3 37

2.3.2 Thiết kế phần mạch điều khiển 39

2.3.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 39

2.3.2.2 Thiết kế mạch điện điều khiển 40

2.4 Lưu đồ giải thuật 47

CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 48

3.1 Thử nghiệm 49

3.2 Phân tích kết quả 50

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT 52

4.1 Kết luận 53

4.2 Đề xuất ý kiến 53

Phụ Lục 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Chọn điện áp tham chiếu cho bộ ADC 24

Bảng 2: Mơ tả các chân của LCD 33

Bảng 3: Các mã lệnh của LCD 34

Bảng 4: Tĩm tắt giữa RS và R/W theo mục đích sử dụng 35

DANH MUÏC HÌNH

Hình1.1 Cân bằng đòn cân 3

Hình 1.2 Cân đồng hồ lò xo 3

Hình 1.3 Cân điện tử của hãng MYWEIGH_Mỹ 5

Hình 1.4 Cân điện tử của hãng JADEVER_TAIWAN 5

Hình 1.5 Cân điện tử của SATEDO_Việt Nam 6

Hình 2.1: Mạch cầu Wheatstone 11

Hình 2.2: Loadcell sử dụng trong đề tài 12

Hình 2.3: Hình dạng một số loại Loadcell thông dụng 13

Hình 2.4 :Sơ đồ chân Atmega32 16

Hình 2.5:Sơ đồ cấu trúc bên trong của Atmega32 18

Hình 2.6: Atemega32 20

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý ADC loại tích phân hai sườn dốc 21

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý ADC loại xấp xỉ liên tiếp 22

Hình 2.9: Tạo nguồn AVCC từ VCC 23

Hình 2.10: Thanh ghi ADMUX 24

Hình 2.11: Truyền dữ liệu 26

Hình 2.12: Ký hiệu Op-amp 29

Hình 2.13: Op_amp 741 29

Hình 2.14 : Op-amp LM 324 30

Hình 2.15: LM324 31

Hình 2.16 Sơ đồ chân của LCD 35

Hình 2.17 Cách bố trí loadcell phương án 1 36

Hình 2.18 Cách bố tri loadcell theo phương án 2 37

Hình 2.19 Cách bố trí loadcell theo phương án 3 37

Hình 2.20 Thiết kế mô hình cân tự động 38

Hình 2.21 Sơ đồ khối hệ thống cân tự động tính tiền 39

Hình 2.22 Điện trở 40

Hình 2.23 IC7805 41

Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 42

Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển Atmega32 42

Hình 2.26 Sơ đồ layout khối nguồn và khối điều khiển Atmega32 43

Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn đối xứng 44

Hình 2.28 Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại 44

Hình 2.29 Sơ đồ layout khối nguồn đối xứng và khối khuếch đại 45

Hình 2.30 Mạch vi điều khiển 45

Hình 2.31 Mạch khuếch đại 46

Hình 2.32 Mô hình được chế tạo hoàn chỉnh 46

Hình 3.1 Kiểm tra cân chỉnh loadcell 49

Hinh 3.2 Kiểm tra nút nhấn và LCD 50

LỜI NÓI ĐẦU

Công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang diễn ratheo sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật Trước tình hình đó đã có khánhiều yêu cầu cấp bách và cũng có những thách thức đặt ra cho giới tríthức Cơ điện tử là một lĩnh vực mới mà ở nước ta đang nghiên cứu vàtừng bước phát triển để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp phần nângcao năng suất lao động

Những sản phẩm cơ điện tử ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệthống công nghiệp và trong các lĩnh vực tự động hóa Trong cuộc sống cũng nhưsản xuất hiện nay việc ứng dụng khoa học kỹ thuật trực tiếp vào làm tăng năngsuất lao động đã và đang được thực hiện Trong các hoạt động kinh doanh, cân làmột dụng cụ cầc thiết giúp cho việc kinh doanh được thuận lợi Nhưng hiện naytrong các hoạt động kinh doanh, việc cân và tính toán giá cả đều được thực hiệnbởi con người nên dễ dẫn tới nhưng sai sót trong quá trình tính toán Vì vậy đểgiúp cho việc cân và tính toán giá cả được thực hiện một cách chính xác và tự

động, em thực hiện đề tài : “ Thiết kế, chế tạo mô hình cân tự động tính tiền”.

Là cách để thể hiện một phần những kiến thức mà em đã học được trong thờigian học tập tại trường

Do có sự hạn chế về thời gian và cũng như kiến thức và kinh nghiệm nênkhông tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quýthầy cô và các bạn sinh viên về đề tài này

Nha Trang, ngày 20 tháng 5 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Trần Công Nguyên

CHƯƠNG 1:

TÍNH TIỀN

1.1 Tổng quan về hệ thống cân tự động

1.1.1 Các phương pháp đo khối lượng

Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác địnhbằng đinh luật II Newton mà theo đó lực tác dụng vào vật thể có khối lượng m sẽbằngtích số khối lượng và gia tốc của nó, tức là:

F= ma (1)Trọng lực là một trường hợp của công thức này Dưới tác dụng củ lực húttrái đất, vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lực P = mg với g là gia tốctrọng trường là một số cố định ở từng khu vực Các phương pháp đo khối lượng

là dựa vào quan hệ này

Công thức (1) không có nghĩa là không có lực trên vật thể nếu không có giatốc mà nó chỉ có nghĩa là không có lực cân bằng thực Hai lực cân bằng và đốinhau tác động lên một vật thể sẽ cân bằng không tạo nên gia tốc Có hai cách đểtạo nên lực cân bằng là: phương pháp cân bằng 0 và phương pháp dịch chuyển Cân bằng đòn cân là ứng dụng của phương pháp

cân bằng 0 vào việc đo khối lượng

Hình1.1 Cân bằng đòn cân

Cân đồng hồ lò xo là ứng dụng của phương pháp

dịch chuyển dưới tác dụng của trọng lực do vật có khối

lượng m gây ra

Hình 1.2 Cân đồng hồ lò xo

Ngoài ra, hiện nay còn có phương pháp để xác định khối lượng là sử dụngcảm biến lực mà phổ biến là loadcell Phương pháp này được sử dụng trong cácloại cân điện tử để đo khối lượng của vật một cách tự động

1.1.2 Giới thiệu về hệ thống cân tự động và ứng dụng

Hệ thống cân tự động là một hệ thống được sử dụng để xác định khối lượngcủa một vật một cách tự động và có độ chính xác cao Hiện nay, trong các hoạtđộng kinh doanh cũng như sản xuất việc xác định khối lượng một cách chính xác

là một yêu cầu tất yếu Vì thế, hệ thống cân được ứng dụng rộng rãi trong nhiềulĩnh vực như:

Cân tự động được sử dụng để xác định khối lượng của các loại hàng hóanhư rau quả, thuỷ sản… và từ khối lượng cân hiển thị người bán có thể tính toánđược số tiền mà người mua hang phải trả

Cân được sử dung trong việc định lượng trong quá trình sản xuất nhưtrong các hệ thông trộn bêtông cần xác định khối lượng nguyên vật liệu, trongcác hệ thống dùng khối lượng để đếm sản phẩm như trong hệ thống đóng bao sảnphẩm…

Cân còn được sử dụng trong lĩnh vực giao thông, hải quan như các hệthống phát hiện quá tải ở các tram cân xe…

Ngoài ra cân còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Hiện nay trên thế giới đã ứng dung rông rãi hệ thống cân tự động các lĩnhvực của đời sống có yêu cầu cần tính toán khối lượng Nhiều hệ thống cân tựđộng được sử dụng trong các lĩnh vực như trong các trạm cân xe, trong các hệthống trộn nguyên liệu nhưng được sử dung rộng rãi nhất là trong các hoạt độngkinh doanh cần tính toán khối lượng

Các hệ thống cân được sử dung trong kinh doanh chủ yếu là loại vừa và nhỏ

có thể di chuyển vị trí nhanh chóng theo yêu cầu của người sử dụng Nhưng nhìnchung hiện nay các loại cân điện tử phục vụ cho kinh doanh mới chỉ thực hiệnchức năng xác định khối lượng chứ chưa tính toán được số tiền theo giá của tưng

loại sản phẩm riêng biệt Sau đây là sản phẩm của một số hãng cân điện tử trênthế giới

Hình 1.3 Cân điện tử của hãng MYWEIGH_Mỹ.

Hình 1.4 Cân điện tử của hãng JADEVER_TAIWAN.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay trong nước tình hình sử dụng các hệ thông cân điện tử cũng khárộng rãi nhưng chủ yếu sử dụng nhiều trong các hệ thống cân xe tự động, các hệthống định lượng trong các dây chuyền sản xuất Việc ứng dụng hệ thống cân tựđộng vào các hoạt động kinh doanh chưa được phổ biến Trong kinh doanh hệthống cân điện tử chỉ được dùng chủ yếu trong các siêu thị và một phần nhỏ ởcác hệ thống bán lẻ của các doanh nghiệp Nguyên nhân chủ yếu là do các hệ

thống cân điện tử hiện nay trên thị trường các giá thành cao chưa thật sự phù hợpvới nhu cầu của người sử dụng vì các sản phẩm cân điện tử trên thị trường chủyếu là nhập khẩu từ nước ngoài Một số nhà sản xuất cân điện tử ở nước ta như:

Hình 1.5 Cân điện tử của SATEDO_Việt Nam.

1.3 Nhiệm vụ và yêu cầu

- Nghiên cứu để giao tiếp giữa vi điều khiển và máy tính

- Thiết kế mô hình cân

1.3.3 Yêu cầu

Cân có thể xuất giá của các loại sản phẩm khác nhau khi ta nhập mã của cácloại sản phẩm đó

Cân có thể được cập nhật giá bằng cách giao tiếp với mày tính

Cân có thế xác định chính xác khối lượng và tự động tính tiền

CHƯƠNG 2:

PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu về cảm biến lực loadcell

- Nghiên cứu về vi điều khiển Atmega32

- Nghiên cứu về bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC

- Nghiên cứu về khuếch đại thuật toán op-amp

- Nghiên cứu về bộ hiển thị LCD

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Cảm biến lực loadcell

 Giới thiệu chung về cảm biến

Cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận

và đáp ứng lại với những kích thích và các tín hiệu

Cảm biến là các phần tử nhạy cảm, dùng để biến đổi các đại lượng đolường, kiểm tra hay điều khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơncho việc tác động của các phần tử khác Cảm biến thường dùng ở khâu đolường và kiểm tra

Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trìnhsản xuất, điều khiển tự động các hệ thống khác nhau Chúng có chức năngbiến đổi sự thay đổi liên tục các đại lượng đầu vào (đại lượng đo lường - kiểmtra, là các đại lượng không điện nào đó thành sự thay đổi của các đại lượngđầu ra là đại lượng điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần

số, điện áp rơi, góc pha vv

Căn cứ theo dạng đại lượng đầu vào người ta phân ra các loại cảm biếnnhư: cảm biến chuyển dịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc độ, gia tốc,momen quay, nhiệt độ, áp suất, quang, bức xạ vv

 Các thông số cơ bản của cảm biến:

 Độ nhạy S:

S=∆X/∆Y

Với: Y là đại lượng ra

X là đại lượng vào

 Sai số:

Sự phụ thuộc của đại lượng ra Y vào đại lượng đầu vào X gọi

là đặc tính vào ra của cảm biến Sự sai khác giữa đặc tính vào ra thực vớiđặc tính chuẩn (đặc tính tính toán hay đặc tính trong lý tính) được đánhgiá bằng sai số

 Các yêu cầu của cảm biến

Muốn có độ nhạy cao, sai số nhỏ, cảm biến cần có các tính chất sau:

 Có dải thay đổi đại lượng vào cần thiết

 Thích ứng và thuận tiện với sơ đồ đo lường, kiểm tra

 Ảnh hưởng ít nhất đến đại lượng đầu vào

 Có quán tính nhỏ

 Phân loại cảm biến:

Có thể phân các cảm biến làm hai nhóm chính: là cảm biến tham số(thụ động) và cảm biến phát (chủ động hay tích cực)

Nhóm cảm biến phát bao gồm các loại cảm biến sử dụng hiệu ứng cảmứng điện từ, hiệu ứng điện áp, hiệu ứng Hall và sự xuất hiện sức điện độngcủa cặp nhiệt ngẫu, tế bào quang điện vv…

Cảm biến tham số (thụ động): thường được chế tạo từ nhữngtrở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo.Một mặt giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu,nhưng mặt khác nó còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như: điệntrở suất, từ thẩm, hằng số điện môi Vì vậy giá trị của trở kháng thay đổidưới tác dụng của đại lượng đo ảnh hưởng riêng biệt đến tính chất hình học,tính chất điện hoặc đồng thời ảnh hưởng cả hai Thông số hình học hoặckích thước của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến có phần tử chuyểnđộng hoặc phần tử biến dạng

 Cảm biến Loadcell

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại Loadcell do các hãng sản xuấtnhư: KUBOTA(Nhật), Global(HànQuốc),VMC(Mỹ)…mỗi loại loadcell đượcchế tạo cho một nhu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng (chịu kéo hay chịunén) Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra có màu khác nhau, thường thì trênmỗi loadcell có dán catologue về cách nối dây, hướng chịu lực tác dụng, điện ápra…

Loadcell có rất nhiều hình dáng, tùy vào các ứng dụng khác nhau mà tachọn các Loadcell có hình dáng khác nhau

Thông số của Loadcell thường được cho trong bảng Catologue của mỗiloại, thường là các thông số về tải: tải trọng danh định, điện áp ra, điện áp danhđịnh, khoảng nhiệt độ hoạt động cho phép…

Điện áp danh định của Loadcell thường rất nhỏ, ví dụ với điện áp danhđịnh 2mV/V nếu cung cấp nguồn 1V thì điện áp ra là 2mV tương ứng với khôngtải

Bộ phận chính của Loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán Tấmđiện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổitương ứng trong điện trở Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ được mộttín hiệu điện áp cho thu tỷ lệ với mức thay đổi điện trở Mạch thông dụng nhấttrong loadcell là mạch cầu Wheatstone

Hình 2.1: Mạch cầu Wheatstone.

Hình 2.2: Loadcell sử dụng trong đề tài.

Trong đề tài Loadcell DAP1 của hãng SATEDO sản xuất được sủ dụng,Loadcell là chịu được tải trọng tối đa là 30 kg

Sau đây là thông số kỹ thuật của loadcell DAP1

HIệu ứng nhiệt ở đầu ra < 0.025 %F.S 100C

HIệu ứng nhiệt ở Zero < 0.025 %F.S 100C

 Đen : Điện áp kích thích

- Xanh : Tín hiệu ra +

 Trắng : Tín hiệu ra Tùy vào các ứng dụng khác nhau mà chọn các loại Loadcell có hình dạng

-và thông số kỹ thuật khác nhau, Sau đây là hình dạng của một số loại Loadcellthông dụng:

Hình 2.3: Hình dạng một số loại Loadcell thông dụng

 Ứng dụng

Loadcell được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực không những trong sảnxuất mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như y học, xây dựng vv…Ví dụ như trongcác hệ thống:

 Dây truyền sản xuất xi măng

 Dây truyền nước khoáng, nước giải khát

 Trạm trộn bê tông tự động

 Hệ thống băng tải tự động

 Trạm cân nông sản

2.2.2 Vi điều khiển AVR

Loại vi điều khiển họ AVR RISC do công ty Atmel sản suất, với kiến trúcRISC (Reduce Instruction Set Computer), loại chip này đang được dùng rộng dãitrong các hệ thống nhúng

Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp

Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, có thể lên đến 20 MHz tuỳ thuộctừng loại chip cụ thể

Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chip

Khả năng lập trình được trong hệ thống, có thể lập trình được ngay khiđang được cấp nguồn trên bản mạch không cần phải nhấc chip ra khỏi bản mạch

Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao – ngôn ngữ C

2.2.2.2 Các đặc tính

Hiệu năng cao, tiêu thụ năng lượng ít

Kiến trúc RISC

131 lệnh mạnh, hầu hết các lênh thực hiện trong một chu kỳ

32 Thanh ghi 8-bit đa năng

Tốc độc thực hiện lên tới 20 triệu lệnh trong 1 giây với tần số20MHz.

Có 2 bộ nhân, mỗi bộ thực hiện trong thời gian 2 chu kỳ

Các bộ nhớ chương trình và dữ liệu cố định

 8 Kb bộ nhớ flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống

 Có thể thực hiện được 10.000 lần ghi/xoá

Vùng mã Boot tuỳ chọn với những bit khoá độc lập

Lập trình trên trong hệ thống bởi chương trình on-chip Boot.Thao tác đọc trong khi nghi thực sự

512 bytes EEFROM

Có thể thực hiện 100.000 lần ghi /xoá

1Kb SRAM bên trong

Lập trình Khoá an ninh phần mềm

Ghép nối ngoại vi

 2 bộ định thời/ bộ đếm 8 bit với các chế độ tỷ lệ định trước vàchế độ so sánh

 1 bộ định thời/ bộ đếm 16 bit với các chế độ tỷ lệ định trướcriêng biệt, chế độ so sánh và chế độ bắt giữ

 Bộ thời gian thực với bộ tạo dao động riêng biệt

 6 kênh PWM

 6 kênh, ADC 10 bit

 Giao điện nối tiếp 2 dây hướng tới byte

 Bộ truyền tin nối tiếp USART khả trình

 Giao diện SPI chủ / tớ

 Watchdog Timer khả trình với bộ tạo dao động bên trong riêngbiệt

 Máy so mẫu tương tự bên trong

Ngắt và đánh thức theo sự thay đổi của các chân

2.2.2.3 Các loại vi điều khiển

2.2.3 Vi điều khiển Atmega32

 Atmega32 là vi điều khiển thuộc họ AVR của hãng Atmel,có 40 chân trong

đó có 32 chân I/O,có 4 kênh điều xung PWM,sử dụng thạch anh ngoài 8MHz

 Nhân AVR kết hợp tập lệnh đầy đủ với 32 thanh ghi đa năng Tất cả cácthanh ghi liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic (ALU) cho phép 2thanh ghi độc lập được truy cập trong một lệnh đơn trong 1 chu kỳ đồng hồ

Kết quả là tốc độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC thường.

 Dưới đây là hình vẽ sơ đồ chân của VĐK At mega32:

Hình 2.4 :Sơ đồ chân Atmega32

 At mega32 gồm có 4 port :port A,port B,port C và port D.

 Port A gồm 8 chân từ PA0 đến PA7:là cổng vào tương tự cho chuyển đổitương tự sang số.Nó cũng là cổng vào/ra hai hướng 8 bít trong trường hợpkhông sử sụng làm cổng chuyển đổi tương tự,có điện trở nối lên nguồn dươngbên trong.Port A cung cấp đường địa chỉ dữ liệu vao/ra theo kiểu hợp kênh khidùng bộ nhớ bên ngoài

 Port B gồm 8 chân từ PB0 đến PB7:là cổng vào/ra hai hướng 8 bít,có điệntrở nối lên nguồn dương bên trong.Port B cung cấp các chức năng ứng với cáctính năng đặc biệt của Atmega32

 Port C gồm các chân từ PC0 đến PC7:là cổng vào/ra hai hướng 8 bit,có điệntrở nối lên nguồn dương bên trong,Port C cung cấp các địa chỉ lối ra khi sửdụng bộ nhớ bên ngoài và đồng thời cung cấp ứng với các tính năng đặc biệtcủa Atmega32

 Port D gồm các chân từ PD0 đến PD7:là cổng vào/ra hai hướng 8 bít,có điệntrở nối lên nguồn dương bên trong Port D cung cấp các chức năng ứng với cáctính năng đặc biệt của Atmega32

 Chân nguồn Vcc (chân số 10 à chân số 30):điện áp nguồn nuôi củaAtmega32 từ 4.5v đến 5.5v

 Chân Reset (chân số 9):lối vào đặt lại

 Chân GND (chân số 11 và chân 31):chân nối mas

 Chân XTAL1,XTAL2 là hai chân nối thạch anh ngoài (chân số 12

và chân số 13).Atmega32 sử dụng thạch anh ngoài là 8MHz

 Chân ICP(chân số 20):là chân vào cho chức năng bắt tín hiệu cho

Hình 2.5:Sơ đồ cấu trúc bên trong của Atmega32.

ATmega32 có các đặc tính sau:

 32Kbytes bộ nhớ ISP Flash với Read-While-Write capacities

 2Kbytes RAM

 1024 bytes EEPROM

 32 đường I/O đa năng

 32 thanh ghi đa năng

 JTAG interface

 On-chip Debug and Program

 3 bộ định thời phức hợp với chế độ so sánh

 Ngắt ngoài và trong

 Bộ truyền nhận nối tiếp USART lập trình được

 Bộ giao tiếp nối tiếp định hướng 2 dây

 8 kênh, 10bit ADC với ngưỡng vào lựa chọn khác nhau độ lợilập trình được

 Bộ WatchDog Timer khả trình với dao động nội

 Port SPI nối tiếp

 Hệ thống ngắt để tiếp tục hàm

 ATmega32 có các chế độ tiết kiệm năng lượng như sau:

 Chế độ nghỉ (Idle) CPU trong khi cho phép bộ truyền tin nối tiếp đồng

bộ USART, giao tiếp 2 dây, chuyển đổi A/D, SRAM, bộ đếm bộ định thời,cổng SPI và hệ thống các ngắt vẫn hoạt động

 Chế độ Power-down lưu giữ nội dung của các thanh ghi nhưng làm đônglạnh bộ tạo dao động, thoát khỏi các chức năng của chip cho đến khi cóngắt ngoài hoặc là reset phần cứng

 Chế độ Power-save đồng hồ đồng bộ tiếp tục chạy cho phép chươngtrình sử dụng giữ được đồng bộ thời gian nhưng các thiết bị còn lại là ngủ

 Chế độ ADC Noise Reduction dừng CPU và tất cả các thiết bị còn lạingoại trừ đồng hồ đồng bộ và ADC, tối thiểu hoá switching noise trong khiADC đang hoạt động

 Chế độ standby, bộ tạo dao động (thuỷ tinh thể/bộ cộng hưởng) chạytrong khi các thiết bị còn lại ngủ Các điều này cho phép bộ vi điều khiểnkhởi động rất nhanh trong chế độ tiêu thụ công suất thấp

 Thiết bị được sản xuất sử dụng công nghệ bộ nhớ cố định mật độ cao củaAtmel Bộ nhớ On-chip ISP Flash cho phép lập trình lại vào hệ thống qua giaodiện SPI bởi bộ lập trình bộ nhớ cố định truyền thống hoặc bởi chương trìnhOn-chip Boot chạy trên nhân AVR Chương trình boot có thể sử dụng bất cứgiao điện nào để download chương trình ứng dụng trong bộ nhớ Flash ứngdụng Phần mềm trong vùng Boot Flash sẽ tiếp tục chạy trong khi vùngApplication Flash được cập nhật, cung cấp thao tác Read-While-Write thực sự.Bằng việc kết hợp 1 bộ 8-bit RISC CPU với In-System Self-ProgrammableFlash trong chỉ nguyên vẹn 1 chip ATmega32 là một bộ vi điều khiển mạnh cóthể cung cấp giải pháp có tính linh động cao, giá thành rẻ cho nhiều ứng dụngđiều khiển nhúng

Hình 2.6: Atemega32

2.2.4 Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC

Giới thiệu về ADC

- Rời rạc hóa tín hiệu về thời gian

- Rời rạc hóa tín hiệu về biên độ

- Theo từng ứng dụng: ADC để xử lý tín hiệu và đo

- Chuyển đổi gián tiếp: u(t) => time (đại lượng trung gian) => code

- Chuyển đổi trực tiếp: u(t) => code

- Chuyển đổi phi tuyến: CODE (TP3057 – Mitel hay AC’97 Intel)

 Chuyển đổi gián tiếp: Tích phân hai sườn dốc

- u(t) => Time Interval/f/T => code

- Dùng trong đo lường, thu thập số liệu trong công nghiệp…

- Không cần nhanh, loại được nhiễu

 Chuyển đổi trực tiếp: u(t) => code

- Nhanh, dùng để thu thập, xử lý tín hiệu biến thiên nhanh

- Chuyển đổi kiểu xấp xỉ liên tiếp: 10k … 10MSps

- Chuyển đổi song song: 10M … 500 MSps

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý ADC loại tích phân hai sườn dốc.

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý ADC loại xấp xỉ liên tiếp.

Một số loại ADC loại xấp xỉ liên tiếp như: ICL7107, ICL 7135, ICL7109

Bộ chuyển đổi ADC trong Atmega 32

Bộ chuyển đổi ADC trong AVR là loại ADC chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp(successive approximation ADC)

Chip AVR Atmega 32 của Atmel có tích hợp sẵn các bộ chuyển đổi ADCvới độ phân giải 10 bit Có tất cả 8 kênh đơn (các chân ADC0 đến ADC7), 16 tổhợp chuyển đổi dạng so sánh, trong đó có 2 kênh so sánh có thể khuyếch đại ADC trên Atmega cần được nuôi bằng nguồn điện áp riêng ở chânAVCC, giá trị điện áp cấp cho AVCC không được khác nguồn nuôi chip (VCC)quá +/-0.3V Một cách đơn giản để tạo nguồn AVCC là dùng một mạch LC kết

nối từ nguồn VCC của Atmega32 như minh họa trong hình 2.9

Hình 2.9: Tạo nguồn AVCC từ VCC.

Điện áp tham chiếu cho ADC trên Atmega 32có thể được tạo bởi 3nguồn: dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V (cố định), dùng điện áp AVCC hoặcđiện áp ngoài đặt trên chân AREF( lấy điện áp nguồn nuôi ) Các chân trênPORTA của chip Atmega32 được dùng cho bộ ADC, chân PORTA.0 tương ứngkênh ADC0 và chân PORTA.7 tương ứng với kênh ADC7

Có 4 thanh trong bộ ADC trên AVR trong đó có 2 thanh ghi data chứa

dữ liệu sau khi chuyển đổi, 2 thanh ghi điều khiển và chứa trạng thái của ADC

o ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register): là 1 thanh ghi 8 bit điềukhiển việc chọn điện áp tham chiếu, kênh và chế độ hoạt động của ADC.Chức năng của từng bit trên thanh ghi này cụ thể như sau:

Hình 2.10: Thanh ghi ADMUX.

 Bit 7:6- REFS1:0 (Reference Selection Bits): là các bit chọn điện áptham chiếu cho ADC, 1 trong 3 nguồn điện áp tham chiếu có thể đượcchọn là: điện áp ngoài từ chân VREF, điện áp tham chiếu nội 2.56Vhoặc điện áp AVCC Bảng 1 tóm tắt giá trị các bit và điện áp thamchiếu tương ứng

Bảng 1: Chọn điện áp tham chiếu cho bộ ADC

 Bit 5-ADLAR (ADC Left Adjust Result): là bit cho phép hiệu chỉnhtrái kết quả chuyển đổi

 Bits 4:0-MUX4:0 (Analog Channel and Gain Selection Bits): là 5 bit cho phép chọn kênh, chế độ và cả hệ số khuyếch đại cho ADC.Bảng 2:Chọn chế độ chuyển đổi ADC

o ADCSRA (ADC Control and Status RegisterA): là thanh ghi chính điều khiển hoạt động và chứa trạng thái của module ADC

o Thanh ghi ADCL và ADCH.

 ADLAR=1:

Thông thường, 2 thanh ghi data được sắp xếp theo định dạng ADLAR=0,ADCL chứa 8 bit thấp và 2 bit thấp của ADCH chứa 2 bit cao nhất của giá trị thuđược

2.2.5 Khái niệm truyền thông

Giả sử ta đang xây dựng một ứng dụng phức tạp cần sử dụng nhiều viđiều khiển (hoặc vi điều khiển và máy tính) kết nối với nhau Để truyền thông thì

có các phương pháp truyền thông sau:

○ Truyền thông nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ (USART)

2.2.5.1 Phương thức truyền thông nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ (USART)

Phương thức truyền thông này thường được sử dụng, có hai cách truyền

 Truyền song song:

Giả sử dữ liệu cần trao đổi là các mã có chiều dài 8 bits, ta có thể sẽ nghĩ

đến cách kết nối đơn giản nhất là kết nối 1 PORT(8 bit) của mỗi vi điều khiểnvới nhau, mỗi line trên PORT sẽ chịu trách nhiệm truyền/nhận 1 bit dữ liệu Đâygọi là cách giao tiếp song song, cách này là cách đơn giản nhất vì dữ liệu đượcxuất và nhận trực tiếp không thông qua bất kỳ một giải thuật biến đổi nào và vìthế tốc độ truyền cũng rất nhanh Tuy nhiên, nhược điểm của cách truyền này là

số đường truyền quá nhiều, nếu dữ liệu của bạn có giá trị càng lớn thì số đườngtruyền cũng sẽ nhiều thêm, do vậy với việc tăng bits dữ liệu lên thì phải tăng sốđường truyền lên do vậy sẻ rất tốn kém không khá thi Hệ thống truyền thôngsong song thường rất cồng kềnh và vì thế kém hiệu quả, do vậy cách này ít đượcứng dụng trong thực tế

 Truyền nối tiếp:

Trong thực tế cách này thường được sử dụng trong truyền thông nối tiếp

dữ liệu được truyền từng bit trên 1 (hoặc một ít) đường truyền Vì lý do này, cho

dù dữ liệu có lớn đến đâu cũng chỉ dùng rất ít đường truyền Một hạn chế rất dễnhận thấy khi truyền nối tiếp so với song song là tốc độ truyền và độ chính xáccủa dữ liệu khi truyền và nhận Vì dữ liệu cần được “chia nhỏ” thành từng bit khitruyền/nhận, tốc độ truyền sẽ bị giảm Mặt khác, để đảm bảo tính chính xác của

dữ liệu, bộ truyền và bộ nhận cần có những “thỏa hiệp” hay những tiêu chuẩnnhất định giữa bên truyền dữ liệu và bên nhận dữ liệu

Truyền song song Truyền nối tiếp

Hình 2.11: Truyền dữ liệu

Để đảm bảo dữ liệu không bị sai lệch, mất mát trong khi truyền thì cần

có sự thỏa hiệp giửa bên truyền và bên nhận Dữ liệu sẽ được đóng lai thành mộtgói và gửi cho bên nhận do vậy ta cần có một chuẩn giữa bên truyền và bênnhận

* Baud rate (tốc độ Baud): Như trong ví dụ trên về việc truyền 1 bittrong 1ms, ta thấy rằng để việc truyền và nhận không đồng bộ xảy ra thành côngthì các thiết bị tham gia phải “thống nhất” nhau về khoảng thời gian dành cho 1bit truyền, hay nói cách khác tốc độ truyền phải được cài đặt như nhau trước, tốc

độ này gọi là tốc độ Baud

Theo định nghĩa, tốc độ baud là số bit truyền trong 1 giây ví dụ tốc độ9600

* Frame (khung truyền): Do truyền thông nối tiếp mà nhất là nối tiếpkhông đồng bộ rất dễ mất hoặc sai lệch dữ liệu, quá trình truyền thông theo kiểunày phải tuân theo một số quy cách nhất định Bên cạnh tốc độ baud, khungtruyền là một yếu tốc quan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận.Khung truyền bao gồm các quy định về số bit trong mỗi lần truyền, các bit “báo”như bit Start và bit Stop, các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bittrong một data cũng được quy định bởi khung truyền Khung truyền này được bắtđầu bằng một start bit, tiếp theo là 8 bit data, sau đó là 1 bit parity dùng kiểm tra

dữ liệu và cuối cùng là 2 bits stop

* Start bit: Start là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền, bit

này có chức năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp đượctruyền tới Ở module USART trong AVR

* Data: Data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần

gởi và nhận Data không nhất thiết phải là gói 8 bit, với AVR bạn có thể quy định

số lượng bit của data là 5, 6, 7, 8 hoặc 9 Trong truyền thông nối tiếp USARTthì bit start và bit stop vô cùng quan trọng

* Parity bit: Parity là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không (một

cách tương đối), có 2 loại parity là parity chẵn (even parity) và parity lẻ (oddparity)

* Stop bits: Stop bits là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một

gói dữ liệu đã được gởi xong Sau khi nhận được stop bits, thiết bị nhận sẽ tiếnhành kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Stop bits làcác bits bắt buộc xuất hiện trong khung truyền, trong AVR USART có thể là 1hoặc 2 bits ,khung truyền phổ biến nhất là : 1 start bit + 8 bit data +1 stop bit

2.2.5.2 Thanh ghi

* UDR: thanh ghi dữ liệu, là 1 thanh ghi 8 bit chứa giá trị nhận được

và phát đi Thực chất thanh ghi này có thể coi như 2 thanh ghi TXB (Transmitdata Buffer) và RXB (Reveive data Buffer) có chung địa chỉ Đọc UDR thuđược giá trị thanh ghi đệm dữ liệu nhận, viết giá trị vào UDR tương đương đặtgiá trị vào thanh ghi đệm phát, chuẩn bị để gởi đi Chú ý trong các khung truyền

sử dụng 5, 6 hoặc 7 bit dữ liệu

* UCSRA: chủ yếu chứa các bit trạng thái như bit báo quá trình nhậnkết thúc (RXC), truyền kết thúc (TXC), báo thanh ghi dữ liệu trống (UDRE),khung truyền có lỗi (FE), dữ liệu tràn (DOR), kiểm tra parity có lỗi (PE)

thanh ghi dữ liệu UDR đang trống và sẵn sàng cho một nhiệm vụ truyền haynhận tiếp theo

* UCSRB (USART Control and Status Register B): đây là thanh ghiquan trọng

điều khiển USART

quy định khung truyền và chế độ truyền Tuy nhiên, có một rắc rối nhonhỏ là thanh ghi này lại có cùng địa chỉ với thanh ghi UBRRH (thanh ghichứa byte cao dùng để xác lập tốc độ baud), nói một cách khác 2 thanh ghi

này là 1 Vì thế bit 7 trong thanh ghi này, tức bit URSEL là bit chọn thanhghi Khi URSEL=1, thanh ghi này được chip AVR hiểu là thanh ghi điềukhiển UCSRC, nhưng nếu bit URSEL=0 thì thanh ghi UBRRH sẽ được sửdụng.

2.2.6 Op-amp LM324

Một trong những thiết bị cơ bản nhất trong mạch điện analog là khuếch đạithuật toán op-amp Op-amp rất linh động có thể sử dụng làm mạch khuếch đạiđơn giản, khuếch đại vi sai, khuếch đại dòng áp vv Ngoài ra, khuếch đại thuậttoán còn dùng để lấy tổng, tích phân, bình phương các tín hiệu analog Op-ampcũng là phần tử chính của nhiều mạch lọc, mạch dao động và mạch ổn áp

Hình 2.12: Ký hiệu Op-amp

Hình 2.13: Op_amp 741

o Tổng trở vào rất cao

o Tổng trở ra rất thấp

o Độ lợi vi sai cao.

o Có 2 ngõ vào ( đảo và không đảo) và một ngõ ra

Ngõ vào đảo sẽ luôn luôn cùng điện áp với ngõ vào không đảo, với hồi tiếp

âm, ngõ ra sẽ đảm bảo điều kiên này

Nếu ngõ vào không đảo nối đất, ngõ vào đảo sẽ hoạt động như đất giả

-Các LCD có giá thành hạ.

-Khả năng hiển thị các số, các ký tự và đồ hoạ tốt hơn nhiều so với các đèn LED(vì các đèn LED chỉ hiển thị được các số và một số ký tự)