Ứng dụng vi điều khiển PIC16f877a để chế tạo bộ thí nghiệm đo đạc tự động đặc tuyến Volt-Ampere của một số linh kiện điện tử

Báo cáo này trình bày việc ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A để thiết kế và chế tạo một bộ thí nghiệm đo đạc đặc tuyến Volt-Ampere của một số linh kiện điện tử (điện trở, diode, transistor). Với khả năng đo tự động, nhanh chóng, cho kết quả với độ chính xác cao, cùng với khả năng giao tiếp với người sử dụng qua máy tính cá nhân bằng kết nối bluetooth, bộ thí nghiệm này bước đầu hỗ trợ cho công tác giảng dạy các kiến thức điện một chiều trong chương trình Vật lí lớp 11 trung học phổ thông.

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A ĐỂ CHẾ TẠO

BỘ THÍ NGHIỆM ĐO ĐẠC TỰ ĐỘNG ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE

CỦA MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

Phan Nhựt Huân, Trần Thanh Phương

(Sinh viên năm 3, Khoa Vật lí)

GVHD: CN Nguyễn Tấn Phát

TÓM TẮT

Báo cáo này trình bày việc ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A để thiết kế và chế tạo một bộ thí nghiệm đo đạc đặc tuyến Volt-Ampere của một số linh kiện điện tử (điện trở, diode, transistor) Với khả năng đo tự động, nhanh chóng, cho kết quả với độ chính xác cao, cùng với khả năng giao tiếp với người sử dụng qua máy tính cá nhân bằng kết nối bluetooth, bộ thí nghiệm này bước đầu hỗ trợ cho công tác giảng dạy các kiến thức điện một chiều trong chương trình Vật lí lớp 11 trung học phổ thông

1 Giới thiệu đề tài

Trong quá trình sử dụng các dụng cụ thí nghiệm hiện có tại các trường phổ thông

để khảo sát đặc tuyến Volt-Ampere của các linh kiện điện tử, việc lắp đặt mạch khá phức tạp và việc lấy số liệu nhiều lần đòi hỏi phải được tiến hành tỉ mỉ, tốn nhiều thời gian nên trong thực tế giáo viên rất hạn chế sử dụng các thí nghiệm trong tiết dạy của mình Ngoài ra, nhu cầu đổi mới và cải tiến các bộ thí nghiệm ngày càng chính xác hơn đang là một nhu cầu cấp thiết Vì vậy, việc ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A để chế tạo bộ thí nghiệm có thể giao tiếp với người sử dụng qua máy vi tính bằng kết nối bluetooth và đo đạc tự động đặc tuyến Volt-Ampere của một số linh kiện điện tử là một trong những giải pháp thiết thực, góp phần làm mới và làm hiệu quả hơn các bộ thí nghiệm hiện có để phục vụ cho quá trình dạy và học Vật lí ở các trường trung học phổ thông

Trên cơ sở ứng dụng những tiến bộ hiện đại của công nghệ vi điều khiển, đề tài này muốn hướng đến mục tiêu đa dạng hóa các bộ thí nghiệm và tạo ra những bộ thí nghiệm mới có độ chính xác cao hơn, hiển thị kết quả tự động, tiết kiệm thời gian nhằm mang lại hiệu quả dạy học cao Bộ thí nghiệm này không những giúp cho học sinh có cái nhìn trực quan hơn về kiến thức đã được học mà còn góp phần hỗ trợ trong công tác giảng dạy của giáo viên ở trường phổ thông

2 Nội dung

2.1 Quá trình thực hiện

Quá trình thực hiện đề tài này có thể tóm tắt theo sơ đồ như hình 1 Bước đầu, những kiến thức cơ bản về điện tử (cách sử dụng các thiết bị đo, nguyên lí hoạt động

của transistor, OP-AMP, vi điều khiển…) được tập trung nghiên cứu, làm nền tảng để thực hiện các bước tiếp theo Chương trình điều khiển cho PIC16F877A được viết bằng ngôn ngữ C thông qua phần mềm CCS Compiler và được nạp cho vi điều khiển thông qua trình biên dịch PICKit 2 Programmer Chương trình điều khiển được chỉnh sửa và hòan thiện dần thông qua việc lắp ráp và chạy thử từng bộ phận trên testboard và trên phần mềm mô phỏng Proteus Đây là bước quan trọng nhất trong quá trình thực hiện đề tài này Chương trình giao tiếp giữa bộ thí nghiệm và máy vi tính được xây dựng trên nền tảng Visual Basic bằng chương trình Visual Studio Professional 2015 Kết nối giữa

bộ thí nghiệm và máy vi tính là kết nối không dây thông qua module bluetooth HC-05 Trên cơ sở các bộ phận đã được kiểm tra hoạt động ổn định và chương trình giao tiếp

đã được xây dựng, bộ thí nghiệm được xây dựng hòan chỉnh để tiến hành đo đạc, đánh giá kết quả và hiệu chỉnh sao cho phù hợp

Hình 1 Tóm tắt quá trình thực hiện 2.2 Cấu trúc và hoạt động của bộ thí nghiệm

Trong bộ thí nghiệm này, vi điều khiển PIC16F877A đóng vai trò là trung tâm điều khiển, có nhiệm vụ nhận các thông số đo đạc (linh kiện cần đo, hiệu điện thế cần

đo nhỏ nhất, lớn nhất và bước nhảy) do người dùng điều chỉnh thông qua màn hình LCD1602 và các nút nhấn (chế độ thủ công) hoặc do người dùng nhập vào từ máy vi tính (chế độ tự động) Sau khi các thông số đã được thiết lập, PIC16F877A điều khiển mạch đo để xuất ra các giá trị hiệu điện thế mong muốn, đo cường độ dòng điện qua linh kiện, gửi các giá trị đo đạc được lên máy vi tính thông qua module bluetooth

HC-05 và đồng thời hiển thị các kết quả đo đạc được lên màn hình LCD Sơ đồ khối của bộ thí nghiệm được thể hiện trên hình 2

1 Nghiên cứu lý thuyết

về điện tử và lập trình

2 Viết chương trình điều khiển

cho PIC16F877A

3 Kiểm tra hoạt động của các

thành phần trên testboard và

phần mềm mô phỏng Proteus

4 Viết chương trình giao tiếp giữa bộ thí nghiệm và máy vi tính

5 Thiết kế xây dựng hoàn chỉnh

bộ thí nghiệm

6 Đo đạc, đánh giá kết quả thực nghiệm và hiệu chỉnh

Hình 2 Sơ đồ khối bộ thí nghiệm

2.2.1 Vi điều khiển PIC16F877A

PIC là từ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” có thể tạm dịch là máy tính thông minh có thể lập trình được PIC là một họ vi điều khiển RISC (vi điều khiển với tập lệnh rút gọn) được sản xuất bởi công ti Microchip Technology PIC16F877A là một vi điều khiển 8bit với tập lệnh gồm 35 câu lệnh có độ dài 14bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép

là 20 MHz với một chu kì lệnh 20ms Nó có tổng cộng 40 chân mang những tính năng nổi bật như timer 8 bit, timer 16 bit, ngắt, tính năng ADC, DAC, tính năng PWM, comparator, capture, giao tiếp USB, CAN, I2C, UART, Parallel Để vi điều khiển hoạt động cần có nguồn điện áp từ 2.5V đến 5.5V và có thể cung cấp dòng từ 150mA đến 300mA Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F877A được mô tả trong hình 3

Hình 3 PIC16F877A (ảnh trái) và sơ đồ chân (ảnh phải)

Mạch đo hiệu điện thế

và cường độ dòng điện

Giao tiếp máy vi tính thông qua module bluetooth HC-05

VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A

Hiển thị LCD1602 Nút nhấn

2.2.2 Module bluetooth HC-05

Bluetooth là chuẩn truyền thông không dây để trao đổi dữ liệu ở khoảng cách ngắn Chuẩn truyền thông này sử dụng sóng radio ngắn (UHF radio) trong dải tần số ISM (2.4 tới 2.485GHz) HC-05 là module bluetooth rẻ, thông dụng ở thị trường Việt Nam, khoảng cách truyền của module này lên đến khoảng 10m HC-05 có thể hoạt động ở hai chế độ là “Command Mode” và “Data Mode” Ở chế độ Command Mode, ta

có thể giao tiếp với module thông qua cổng serial bằng tập lệnh AT Ở chế độ Data Mode module có thể truyền nhận dữ liệu tới các module bluetooth khác Trong bộ thí nghiệm này, module HC-05 được thiết lập hoạt động ở chế độ Data Mode, có nhiệm vụ truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển PIC16F877A và máy vi tính Hình 4 mô tả module bluetooth HC-05 và sơ đồ các chân của module này

Hình 4 Module bluetooth HC-05

2.2.3 Mạch đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện

Mạch đo sử dụng trong bộ thí nghiệm này được mô tả như sơ đồ hình 5 Điện thế

V B được tạo ra từ IC DAC0808, giá trị điện thế này có thể thay đổi bằng vi điều khiển PIC16F877A Với transistor lưỡng cực (BJT) loại NPN (bộ thí nghiệm sử dụng

transistor NPN mã số C828A), nếu dòng I B qua cực Base của transistor thay đổi (bằng

cách thay đổi V B ) thì dòng I C qua thiết bị cần đo cũng thay đổi, qua đó làm thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu của thiết bị này Hiệu điện thế giữa hai đầu thiết bị được ghi nhận bằng bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (ADC – Analog to Digital

Converter) của PIC (nối với chân A0 và A1) Như vậy, bằng cách điều khiển giá trị V B,

ta có thể làm thay đổi và đo đạc được hiệu điện thế giữa hai đầu của thiết bị cần đo

Do dòng I B có giá trị rất nhỏ (khoảng vài chục A) nên ta có thể xem gần đúng I C

 I E, tức là dòng điện qua thiết bị cần đo gần đúng với dòng điện qua điện trở R = 10 mắc với chân E của transistor Vì vậy, ta chỉ cần xác định điện thế tại chân E của transistor bằng cách sử dụng bộ ADC của PIC (nối với chân A5), ta có thể tính được

hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở 10 và suy ra được giá trị của cường độ dòng điện qua thiết bị cần đo:

10

E thietbido

V

100

R k

Transistor NPN

5V

ADCA1

ADCA0

ADCA5

10

B V

Hình 5 Mạch đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện

2.2.4 IC DAC0808

DAC (Digital to Analog Converter) còn gọi bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự Vi điều khiển sẽ được lập trình để điều khiển DAC0808 xuất ra các giá trị điện thế mong muốn DAC0808 có cấu tạo gồm 16 chân, các chân tín hiệu vào (A1 đến A8) được lần lượt nối với 8 chân của vi điều khiển PIC16F877A theo thứ tự từ RB0 đến RB7 như được mô tả trong hình 6

Hình 6 Ghép nối giữa IC DAC0808 và vi điều khiển PIC16F877A

DAC thực hiện quá trình biến đổi tín hiệu từ số sang tương tự bằng cách so sánh với một điện áp tham chiếu (Reference Voltage) được đưa vào chân số 14 Trong bộ thí nghiệm này, DAC0808 được tham chiếu với điện áp 12V Giá trị điện thế mà

DAC0808 xuất ra (được kí hiệu V B trong hình 6) được xác định từ công thức sau:

B ref

trong đó, A1 đến A8 chỉ nhận một trong hai giá trị là 0 hoặc 1, ứng với các chân của PIC ghép nối với nó là từ RB0 đến RB7 xuất ra giá trị điện thế thấp (0V) hay điện thế cao (5V) Như vậy, bằng cách điều khiển giá trị điện thế xuất ra ở các chân cổng B của PIC16F877A, ta có thể điều khiển được giá trị mà IC DAC0808 sẽ xuất ra theo mong muốn

2.2.5 Chức năng ADC của PIC16F877A

ADC (Analog to Digital Converter) dùng để biến đổi một tín hiệu điện áp tương

tự vào một chân nào đó của vi điều khiển trở thành tín hiệu số cũng bằng cách so sánh với một điện áp tham chiếu tương tự như DAC Điện áp tham chiếu có thể là điện áp VDD (điện áp nguồn) hoặc điện áp tham chiếu được đưa vào một chân khác Thứ tự chân đọc ADC và chân cấp điện áp tham chiếu được quy định rõ ràng trong từng trường hợp sử dụng Bộ ADC được sử dụng trong bộ thí nghiệm này là loại ADC 10bit tương ứng với 210 =1024 giá trị Giá trị bit càng lớn thì ADC có độ phân giải càng cao

Ở đây, khi điện áp tham chiếu là 5V thì trong đoạn từ 0V đến 5V sẽ được chia làm

1023 khoảng Mỗi giá trị điện áp được ADC đọc sẽ tương ứng với một số Xét với trường hợp cần đo nói trên là điện áp thì giá trị điện áp sẽ được vi điều khiển xử lí tính toán theo công thức sau:

5 1023

ADC

với: ADC là giá trị ADC đọc được, V là giá trị điện áp tại chân ADC đó

2.3 Chương trình giao tiếp với máy vi tính

Giao tiếp giữa vi điều khiển và máy vi tính được thực hiện thông qua module bluetooth HC-05 Chương trình giao tiếp trên máy vi tính được viết trên nền Visual Basic bằng phần mềm Visual Studio Professional 2015 và có giao diện như hình 7

Hình 7 Chương trình giao tiếp với người dùng trên máy vi tính

Tại chương trình này, sau khi người dùng chọn cổng và kết nối với bộ thí nghiệm bằng các nút ở vùng 1, người dùng có thể chọn thiết bị cần đo trong ô chọn ở vùng 2

Có 3 lựa chọn: điện trở, diode, hoặc transistor Khi đã chọn được thiết bị cần đo, người dùng nhập vào các thông số của quá trình đo đạc (hiệu điện thế nhỏ nhất, lớn nhất và bước nhảy) sau đó nhấn nút “Xác nhận” để truyền các thông số này về bộ thí nghiệm Nút “Bắt đầu đo” và “Dừng đo” trong vùng 3 để bắt đầu hoặc kết thúc quá trình đo Khi quá trình đo diễn ra, các thông số hiệu điện thế giữa hai đầu thiết bị đo và cường

độ dòng điện qua thiết bị đó được hiển thị và cập nhật lên bảng 6, đồng thời được mô tả trên đồ thị 7 Kết thúc quá trình đo đạc, người dùng có thể lưu lại kết quả đo được dưới dạng Excel hoặc lưu đồ thị dưới dạng hình ảnh bằng các nút “Lưu dữ liệu” và “Lưu đồ thị” trong vùng 4 Tất cả các thao tác của người dùng trên giao diện được ghi nhận và thể hiện lên thanh trạng thái 8

3 Kết quả

3.1 Bộ thí nghiệm

Bộ thí nghiệm được nghiên cứu đến thời điểm hiện tại được trình bày như hình 8 Mạch điện tử sẽ tiếp tục được gia công mạch in hòan chỉnh trong thời gian nghiên cứu sắp tới

Mạch

điện tử

Nút nhấn

LCD1602

Hình 8 Bộ thí nghiệm đang được nghiên cứu ở thời điểm hiện tại

Bộ thí nghiệm này có thể hoạt động ở hai chế độ là thủ công và tự động Ở chế độ thủ công, người dùng trực tiếp đo, ghi nhận các giá trị hiệu điện thế và cường độ dòng điện trên màn hình LCD Đối với chế độ tự động, người dùng kết nối bộ thí nghiệm với máy tính thông qua bluetooth, sau đó có thể đo đạc và quan sát được đặc tuyến Volt-Ampere thông qua đồ thị được vẽ tự động bằng chương trình Để đánh giá hoạt động và mức độ chính xác của bộ thí nghiệm, các linh kiện điện tử cụ thể là điện trở, diode, transistor được lần lượt đo đặc tuyến Volt-Ampere bởi bộ thí nghiệm này

3.2 Đo đặc tuyến Volt-Ampere của điện trở

Thực hiện đo đặc tuyến Volt-Ampere của điện trở giá trị 150 trong khoảng từ 0V đến 3.3V bằng bộ thí nghiệm và thu được kết quả như hình 9

Hình 9 Đặc tuyến Volt-Ampere của điện trở 150 

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua điện trở là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ, nghiệm đúng định luật Ohm Bằng cách khớp hàm đường thực nghiệm với đường thẳng có dạng Y = A + BX ta tính được giá trị điện trở thu được từ đường làm khớp này là R = 148.23083, độ lệch tương đối 1.1% so với giá trị thực tế Qua đó có thể thấy bộ thí nghiệm cho kết quả với mức độ chính xác cao

và đáng tin cậy

Tiếp tục thực hiện đo đặc tuyến Volt-Ampere để suy ra giá trị của một số điện trở

có giá trị khác nhau, kết quả được trình bày trong bảng 1

Bảng 1 Kết quả đo đặc tuyến Volt-Ampere của một số điện trở

STT Giá trị thực tế () Giá trị đo được () Độ lệch tương đối (%)

Kết quả bảng 1 thấy rằng, ở các điện trở có giá trị nhỏ hơn 100 thì gặp phải độ lệch tương đối lớn Giá trị độ lệch này giảm dần ở các điện trở có trị số lớn hơn 100

và độ lệch lớn nhất chỉ là 6.31% Qua đó ta có thể kết luận rằng, bộ thí nghiệm có thể cho kết quả với độ chính xác cao ở các điện trở có trị số lớn nhưng cần phải hiệu chỉnh lại ở các điện trở có giá trị nhỏ hơn 100

3.3 Đo đặc tuyến Volt-Ampere của diode

Đặc tuyến Volt-Ampere của diode trong khoảng 0V đến 0.7V được đo đạc bằng

bộ thí nghiệm và cho kết quả như hình 10

Hình 10 Đặc tuyến Volt-Ampere của diode

Kết quả thực nghiệm thu được phản ánh đúng dạng đặc tuyến Volt-Ampere của một diode điển hình Từ đồ thị có thể suy ra được điện áp ngưỡng của diode là 0.58V

ng

U  và điện trở của diode trong vùng tuyến tính là R 8.68

3.4 Đặc tuyến Volt-Ampere của transistor

Tiến hành đo đặc tuyến Volt-Ampere của transistor lưỡng cực NPN mã số C828A với dòng điện qua cực Base của transistor lần lượt là 0.2; 0.4; 0.6; 0.8mA thu được kết quả như hình 11

Hình 11 Đặc tuyến Volt-Ampere của transistor NPN mã số C828A

Đồ thị phản ánh đúng dạng đặc tuyến Volt-Ampere của một transistor NPN điển hình Dòng điện bão hòa tương ứng với các dòng điện khác nhau qua cực Base của transistor lần lượt là 3.96; 11.87; 20.40; 29.30 mA

4 Kết luận

Bộ thí nghiệm được thiết kế và chế tạo có khả năng đo đạc đặc tuyến Volt-Ampere của một số linh kiện điện tử với độ chính xác cao, ổn định và đáng tin cậy Cùng với khả năng đo đạc, xử lí số liệu nhanh, thao tác nhanh chóng, chương trình tương tác với người sử dụng trên máy vi tính đơn giản nhưng đầy đủ các chức năng cần thiết, bộ thí nghiệm này sẽ góp phần hỗ trợ cho công tác giảng dạy của người giáo viên Tuy nhiên, bộ thí nghiệm cần được gia công mạch in, chế tạo mạch lắp đặt sao cho phục vụ tốt cho người sử dụng, hiệu chỉnh sao cho khả năng đo đặc tuyến của các điện trở có giá trị nhỏ có thể chính xác hơn Nếu khắc phục được các nhược điểm trên,

bộ thí nghiệm có thể được ứng dụng để dạy các tiết học trên lớp cũng như các tiết thực hành trong phòng thí nghiệm ở các trường trung học phổ thông