Ứng dụng phần mềm ProteusAVR và codevision mô phỏng mạch đo điện áp máy phát và dòng điện cấp cho tải trên ô tô đời mới

Sự tiến bộ trong thiết kế, vật liệu và kỹ thuật sản xuất đã góp phần tạo ra những chiếc xe ô tô hiện đại với đầy đủ tiện nghi, tính an toàn cao, và việc ứng dụng vi điều khiển, vi xử lý

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : MÔ PHỎNG MẠCH ĐO ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT VÀ DÒNG

ĐIỆN CẤP CHO TẢI 4

1.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng 4

1.1.1Phần mềm proteus 4

1.1.2Hướng dẫn sử dụng phần mềm protus 5

1.1.3Giới thiệu phần mềm lập trình CodevisionAVR 7

1.1.4Hướng dẫn sử dụng phần mềm CodevisionAVR 8

1.2 Giới thiệu các link kiện có trong mạch mô phỏng 12

1.2.1giới thiệu về vi điều khiển Atmega16 12

1.2.2Giới thiệu vi tổng quan điều khiển Atmega16 12

1.2.3Mô tả cơ bản về vi điều khiển Atmega16 13

1.2.4Khối hiện thị 20

Cấu tạo LCD 16x2 (2 dòng 16 kí tự) 20

1.2.5Đi ốt bán dẫn 27

1.2.6Biến trở 29

1.2.7Mạch mô phỏng trong Proteus: 32

CHƯƠNG 2 : CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 34

DANH MỤC HÌNH ẢN

Hình 2.1 Giao diện proteus 5

Hình 2.14 Sơ đồ khối cấu trúc bên trong Atmega 16 15

LỜI NÓI ĐẦUCông nghệ ô tô là một ngành khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng trên toàn cầu Sự tiến bộ trong thiết kế, vật liệu và kỹ thuật sản xuất đã góp phần tạo ra những chiếc xe ô tô hiện đại với đầy đủ tiện nghi, tính an toàn cao, và việc ứng dụng vi điều khiển, vi xử lý đang ngày càng phát triển rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều vào các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội Với

xu hướng tất yếu này cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo, người ta đã tạo những vi điều khiển có cấu trúc mạnh hơn, đáp ứng thời gian thực tốt hơn, chuẩn hóa hơn so với các vi điều khiển 8 bit trước đây

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt là ngành điện, điện tử, sự phát minh ra các linh kiện điện tử đã và đang ngày càng đáp ứng được yêu cầu của các hệ thống Ưu điểm của việc sử dụng các linh kiện điện tử làm chocác hệ thống linh hoạt và đa dạng hơn, giá thành thấp hơn và độ chính xác caohơn

Đó chính là ý tưởng để nhóm em tìm hiểu và thực hiện đề tài “Ứng dụng phần mềm ProteusAVR mô phỏng mạch đo điện áp máy phát và dòng điện cấp cho tải trên ô tô đời mới ”.

Bên cạnh đó em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo: TS Nguyễn Thành Bắc, người đã trực tiếp hướng dẫn em tận tình chu đáo trong quá trình

hoàn thiện đồ án này Mặc dù đã cố gắng và học hỏi rất nhiều, nhưng do kiến thức và kinh nghiệm của bản thân còn hạn chế nên đề tài này của nhóm em không thể tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dẫn từ thầy cô

Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Nhóm sinh viên thực hiện Nhóm 2

CH ƯƠNG 1 : NG 1 : MÔ PH NG M CH ĐO ĐI N ÁP MÁY PHÁT VÀ ỎNG MẠCH ĐO ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT VÀ ẠCH ĐO ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT VÀ ỆN ÁP MÁY PHÁT VÀ

DÒNG ĐI N C P CHO T I ỆN ÁP MÁY PHÁT VÀ ẤP CHO TẢI ẢI

1.1 Gi i thi u ph n m m mô ph ngới thiệu phần mềm mô phỏng ệu phần mềm mô phỏng ần mềm mô phỏng ềm mô phỏng ỏng

1.1.1 Ph n m m proteusần mềm mô phỏng ềm mô phỏng

Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, …

Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Lancenter Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả cácMCU như PIC, 8051, AVR, Motorola

Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in Proteus là công cụ mô phỏng cho các loại Vi Điều Khiểnkhá tốt, nó hỗ trợ các dòng VĐK PIC, 8051, PIC, dsPIC, AVR, HC11,

MSP430, ARM7/LPC2000 các giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet, ngoài ra còn mô phỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả

Proteus là bộ công cụ chuyên về mô phỏng mạch điện tử

ISIS đã được nghiên cứu và phát triển trong hơn 12 năm và có hơn 12000 người dùng trên khắp thế giới Sức mạnh của nó là có thể mô phỏng hoạt động của các hệ vi điều khiển mà không cần thêm phần mềm phụ trợ nào Sau

đó, phần mềm ISIS có thể xuất file sang ARES hoặc các phần mềm vẽ mạch

in khác

Trong lĩnh vực giáo dục, ISIS có ưu điểm là hình ảnh mạch điện đẹp, cho phép ta tùy chọn đường nét, màu sắc mạch điện, cũng như thiết kế theo các mạch mẫu (templates)

Những khả năng khác của ISIS là:

- Tự động sắp xếp đường mạch và vẽ điểm giao đường mạch

- Chọn đối tượng và thiết lập thông số cho đối tượng dễ dàng

- Xuất file thống kê linh kiện cho mạch

- Xuất ra file Netlist tương thích với các chương trình làm mạch in thôngdụng

- Đối với người thiết kế mạch chuyên nghiệp, ISIS tích hợp nhiều công

cụ giúp cho việc quản lý mạch điện lớn, mạch điện có thể lên đến hàng ngàn linh kiện

- Thiết kế theo cấu trúc (hierachical design)

- Khả năng tự động đánh số linh kiện

1.1.2 Hưới thiệu phần mềm mô phỏngng d n s d ng ph n m m protusẫn sử dụng phần mềm protus ử dụng phần mềm protus ụng phần mềm protus ần mềm mô phỏng ềm mô phỏng

Khởi động chương trình , chương trình sau khi khởi động sẽ có giao diện như sau

Hình 2.1 Giao di n proteus ện proteus

Để vẽ sơ đồ nguyên lý , vào Start Menu khởi động chương trình ISIS chương trình được khởi động và có giao diện như sau:

Hình 2.2 Giao di n ện proteus làm vi c ện proteus

Giao diện gồm có : Vùng làm việc chính ,vùng hiển thị , thanh công cụ,vùng lựa chọn ,thanh tác vụ và các nút mô phỏng

Vùng làm việc chính là vùng mà tại đó ta vẽ các linh kiện điện tử , nối dây các linh kiện , đặt các máy đo, hiện thị các đồ thị mong muốn

Thanh công cụ gồm các thành phần cơ bản sau :

- Section mode : Chức năng này để chọn linh kiện

- Component mode :Dùng để lấy linh kiện trong thư viện linh kiện

- Wire lable mode : Đặt tên cho dây

- Terminals mode : Chứa Power , Ground

- Graph mode : Dùng để vẽ dạng song ,…

- Generator mode : Chứa các nguồn điện , nguồn xung ,

- Voltage Probe mode : Dùng để đo điện thế tại một điểm trên mạch ,đây là một dụng cụ chỉ có 1 chân và không có thực trong thực tế

- Curent Probe mode : Dùng để đo chiều và độ lớn của dòng điện tại một điểm trên wire

- Virtual Instrument mode : Chứa các dụng cụ đo dòng và áp , các dụng cụ này được mô phỏng như trong thực tế

Để lấy các linh kiện điện tử ra ta phải vào thư viện chính isis , bấm vào biểu tượng Component mode , sau đó nhấn vào chữ P hoặc ấn phím tắt P trênkeyboard thì khung chương trình sẽ hiện ra

Hình 2.3 Tìm ki m linh ki n ếm linh kiện ện proteus

Trong hình có phần Keyword : là ô tìm kiếm , ta đánh các từ khóa cần tìm ví

dụ như resistor Ở phần category sẽ hiển thị các thư mục liên quan đến từ khóa Phân sub-category là nhóm con của phần trên Phần manufacturer là tên của nhà sản xuất linh kiện ,ở ô preview là ô hiển thị trên sơ đồ nguyên lý PCB preview là hình dáng trên sơ đồ mạch in

Double Click vào linh kiện cần lấy lập tức linh kiện sẽ được bổ sung vào vùng lựa chọn ở ngoài giao diện hình

1.1.3 Gi i thi u ph n m m l p trình CodevisionAVRới thiệu phần mềm mô phỏng ệu phần mềm mô phỏng ần mềm mô phỏng ềm mô phỏng ập trình CodevisionAVR

CodevisionAVR là một trình biên dịch chéo C, môi trường phát triển tích hợp

và bộ tạo chương trình tự động được thiết kế cho họ các vi điều khiển AVR của Atmel Chương trình có thể chạy trên các hệ điều hành 2000, XP, Vista

và Windows 7 32/64 bit

CodevisionAVR cũng bao gồm bộ tạo chương trình tự động

CodeWizardAVR, nơi cho phép bạn viết một chương trình đơn giản chi trong vài phút, gồm các hàm sau:

-Thiết lập truy cập bộ nhớ ngoài

-Chip reset source identification

-Khởi tạo các cổng Output/Input

-Khởi tạo các ngắt ngoài (External Interrputs)

-Khởi tạo Timers/Counters

-Khởi tạo Watchdog Timer

-Khởi tạo USART (UART)

-Khởi tạo Analog Comparator

-Khởi tạo ADC

-Khởi tạo giao diện SPI

-Khởi tạo giao diện 2 Wire

-Khởi tạo giao diện CAN

-I2C bus, sensor LM75, DS1621 nhiệt kế/nhiệt độ và PCF8563, PCF8583, DS1302, DS1307 khởi tạo đồng hồ thời gian thực

-Khởi tạo bus 1 dây và các cảm biến nhiệt độ DS1820/DS18S20

-Khởi tạo module LCD

1.1.4 Hưới thiệu phần mềm mô phỏngng d n s d ng ph n m m CodevisionAVRẫn sử dụng phần mềm protus ử dụng phần mềm protus ụng phần mềm protus ần mềm mô phỏng ềm mô phỏng

a, Tạo một file mới

Bạn có thể tạo một file nguồn mới bằng cách sử dụng nút File/View hoặc Ctrl/N Cửa sổ Create New file hiện ra, bạn chọn Source/OK

Hình 2.4 T o m t Source ạo một Source ột Source

Ta đã có 1 cửa số mới được tạo, tên file mới này mặc định là untitled.c Bạn

có thể sacve file này với 1 tên mới bằng cách sử dụng File/Save As hoăc biểu tượng Save As

Hình 2.5 C a s m i đ ửa sổ mới được tạo ổ mới được tạo ới được tạo ược tạo ạo một Source c t o

b,Tạo một Project mới

Tạo project mới bằng cách vào File/new, cửa số Create New File hiện ra Ta chọn Project sau đó chọn OK

Cửa số Con firm xuất hiện, ở đây bạn chọn OK để xác nhận tạo 1 project mới

Hình 2.6 T o m t Project ạo một Source ột Source

Tiếp theo là cửa số CodeWizardAVR dùng để chọn loại chip Ở đây tôi chọn AT90, AtTiny, Atmega, FPSLIC, cho phép sử dụng các loại vi điểu khiển tương ứng Cuối cùng chọn OK để xác nhận

Hình 2.8 L a ch n chip ựa chọn chip ọn chip

Tiếp theo ta lưu lại các giá trị đã được khai báo :File/Generate, chọn Save andExit

Một hộp thoại bên dưới sẽ xuất hiện cho phép ta đặt tên file mới sau khi lưu

Hình 2.10 L u thông s đã khai báo ư ố

1.2 Gi i thi u các link ki n có trong m ch mô ph ngới thiệu phần mềm mô phỏng ệu phần mềm mô phỏng ệu phần mềm mô phỏng ạch mô phỏng ỏng

Hình 2.11 Mã code l p trình ập trình

- Vi điều khiển nhận tín hiệu từ Encoder bộ đếm của động cơ, đếm số xung củaEncoder này rồi hiển thị tốc độ động cơ lên màn hình LCD.

- Vi điều khiển còn nhận tín hiệu từ bàn phím để điều khiển động cơ quay thuậnhoặc nghịch, tăng tốc hoặc giảm tốc, dừng động cơ rồi hiển thị kết quả lên LCD.1.2.2 Gi i thi u vi t ng quan đi u khi n Atmega16ới thiệu phần mềm mô phỏng ệu phần mềm mô phỏng ổng quan điều khiển Atmega16 ềm mô phỏng ển Atmega16

Vi điều khiển Atmega16 thuộc họ AVR, một họ vi điều khiển do hãng Atmelsản xuất Đây là họ vi điều khiển 8 bit, xử lý nhanh và tiêu thụ ít năng lượng (<1.1mA tại 3v-1Mhz ) Ngoài ra còn được tích hợp thêm mạch ADC, ngõ ra điềurộng xung, giao tiếp I2C, bộ nhớ EEPROM, USART, WATCHDOG, dao độngnội và lập trình trên hệ thống ISP Thêm vào đó AVR còn được hỗ trợ mạnh mẽbởi các phần mềm lập trình như CodeVisionAVR, Bascom, AVR Studio… làmgiảm độ phức tạp cũng như thân thiện hơn với ngôn ngữ con người Do đó AVRngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng như trong giáo dục vàđào tạo

1.2.3 Mô t c b n v vi đi u khi n Atmega16ả cơ bản về vi điều khiển Atmega16 ơ bản về vi điều khiển Atmega16 ả cơ bản về vi điều khiển Atmega16 ềm mô phỏng ềm mô phỏng ển Atmega16

- Hiệu năng cao, tiêu thụ ít năng lượng

- Kiến trúc RISC:

+ 131 lệnh – hầu hết các lệnh thực thi trong một chu kỳ máy

+ 32 thanh ghi 8 bit đa năng

+ Tốc độ thực hiện lên tới 16 triệu lệnh trong 1 giây (tần số 16MHz)

Hình 2.13 Vi đi u khi n Atmega 16 ều khiển Atmega 16 ển Atmega 16

- Các bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu: 32KB bộ nhớ Flash có khả năng

tự lập trình trong hệ thống

- Có thể thực hiện được 10.000 lần ghi xóa

+ Vùng mã Boot tùy chọn với những bit khóa độc lập

+ Lập trình trong hệ thống bởi chương trình on-chip boot

+ Thao tác đọc ghi trong khi nghỉ

+ 1024 Byte EEPROM

- 1 KB SRAM nội

- 2 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số độc lập và chế độ so sánh.Một bộ định thời/bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, chế độ so sánh và chế độbắt mẫu (Capture)

- Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động độc lập

- Bốn kênh PWM

- Bộ ADC 8 kênh 10 bit

- Bộ truyền dữ liệu đồng bộ/bất đồng bộ USART

- Bộ truyền dữ liệu chuẩn SPI

- Watchdog timer khả trình với bộ dao động nội riêng biệt

- Bộ so sánh Analog

- Các đặc điểm khác:

+ Power-on Reset và phát hiện Brown-out khả trình

+ Bộ tạo dao động nội

+ Nguồn ngắt nội và ngoại

- 6 chế độ ngủ: Idle, ADC noise reduction, Power-save, Power-down, Standby

và Extended Standby

- Ngõ vào/ra: có 32 ngõ vào ra

- Điện áp hoạt động:

+ 2.7V ÷ 5.5V đối với Atmega16L

+ 4.5V ÷ 5.5V đối với Atmega16

- Tần số hoạt động:

+ 0 ÷ 8MHz đối với Atmega16L

+ 0 ÷ 16MHz đối với Atmega16

Hình 2.14 S ơ đồ kh i ố c u trúc ấu trúc bên trong Atmega 16

Phần lõi AVR kết hợp tập lệnh phong phú với 32 thanh ghi đa dụng Toàn

bộ 32 thanh ghi này đều kết nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit),cho phép truy cập 2 thanh ghi độc lập với 1 lệnh thực thi trong 1 chu kỳ xungnhịp Cấu trúc đạt được có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần so với vi điều khiểnCISC thông thường

Với các tính năng đã nêu trên, khi ở chế độ nghỉ (Idle), CPU vẫn cho phépcác chức năng khác hoạt động như: USART, giao tiếp 2 dây, chuyển đổi A/D,SRAM, bộ đếm/bộ định thời, cổng SPI và các chế độ ngắt Chế độ Power-down lưu giữ nội dung các thanh ghi nhưng làm ngừng bộ tạo dao động, thoátkhỏi các chức năng của chip cho đến khi có ngắt ngoài hoặc reset phần cứng

Trong chế độ Power-save, đồng hồ đồng bộ tiếp tục chạy cho phép chươngtrình có thể giữ được sự đồng bộ về thời gian nhưng các thiết bị còn lại ởtrong trạng thái ngủ Chế độ ADC Noise Reduction dừng CPU và tất cả cácthiết bị còn lại ngoại trừ đồng hồ đồng bộ và ADC, giảm thiểu nhiễu khi ADChoạt động Ở chế độ Standby, bộ tạo dao động chạy trong khi các thiết bị cònlại ở trạng thái ngủ Những đặc điểm này cho phép bộ vi điều khiển khởi độngrất nhanh trong chế độ tiêu thụ công suất thấp.

AVR 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 thôngqua giao diện SPI bởi bộ lập trình bộ nhớ cố định truyền thống hoặc bởichương trình On-chip Boot chạy trên lõi AVR Chương trình Boot có thể sửdụng bất cứ giao diện nào để download chương trình ứng dụng trong bộ nhớFlash Phần mềm trong vùng Boot Flash sẽ tiếp tục chạy trong khi vùngApplication Flash được cập nhật, giúp tạo ra thao tác Read-While-Write thực

sự Nhờ việc kết hợp một bộ 8bit RISC CPU với Programmable Flash chỉ trong một chip, Atmega16 là một vi điều khiển mạnh

In-System-Self-có thể cung cấp những giải pháp In-System-Self-có tính linh động cao, giá thành rẻ cho nhiềuứng dụng điều khiển nhúng Atmega16 được hỗ trợ đầy đủ với các công cụ hỗtrợ phát triển cũng như lập trình, bao gồm: trình biên dịch C, MacroAssembler, mô phỏng/dò lỗi lập trình, mô phỏng mạch điện và các bộ kit thínghiệm

- Sơ đồ chân của Atmega16

Hình 2.15 S đ chân c a Atmega16 ơ ồ ủa Atmega16

- Ý nghĩa của các chân:

GND: chân nối mass

VCC: chân điện áp nguồn

Port A (PA0 ÷ PA7): ngõ vào/ra port A Các chân Port A cũng là ngõ vàoanalog của bộ chuyển đổi A/D

Chân PA7: Ngõ vào ADC7

Chân PA6: Ngõ vào ADC6

Chân PA5: Ngõ vào ADC5

Chân PA4: Ngõ vào ADC4

Chân PA3: Ngõ vào ADC3

Chân PA2: Ngõ vào ADC2

Chân PA1: Ngõ vào ADC1

Chân PA0: Ngõ vào ADC0

Port B (PB0 ÷ PB7): ngõ vào ra Port B

Các chức năng khác của Port B:

PB6 MISO (Master Input/Slave Output của SPI)PB5 MOSI (Master Output/Slave Input của SPI)PB4 SS (Ngõ vào chọn Slave của SPI)

PB3 AIN1 (Ngõ vào Negative của bộ so sánh analog)

OC0 (Ngõ ra so sánh của Timer/Counter 0)PB2 AIN0 (Ngõ vào Positive của bộ so sánh analog)

INT2 (Ngõ vào ngắt ngoài 2)PB1 T1 (Ngõ vào của bộ đếm ngoài Counter 1)

PB0 T0 (Ngõ vào của bộ đếm ngoài Counter 0)

XCK (Chân I/O Clock của USART)

Port C (PC0 ÷ PC7): ngõ vào/ra port C

Các chức năng khác của Port C

PC7 TOSC2 (Chân 2 bộ dao động của Timer)PC6 TOSC1 (Chân 1 bộ dao động của Timer)