Luận văn thiết kế chế tạo bộ điều khiển số quá trình trên nền vi điều khiển AVR

Luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
-

NGUYỄN ðỨC PHÚ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ QUÁ TRÌNH TRÊN NỀN VI ðIỀU KHIỂN AVR

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: ðiện khí hóa SXNN và nông thôn

Mã số : 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: TS LƯU HỒNG VIỆT

HÀ NỘI - 2011

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… i

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào

Tôi cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2011

Người cam ñoan

Nguyễn ðức Phú

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và thực hiện ñề tài luận văn tốt nghiệp, ñến nay tôi

ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ chuyên ngành ðiện khí hóa SXNN và nông thôn với

ñề tài: “Thiết kế chế tạo bộ ñiều khiển số quá trình trên nền vi ñiều khiển AVR”

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn Viện ñào tạo Sau ðại học, Khoa Cơ ðiện, Bộ môn ðiện kỹ thuật, Trường ñại học Nông Nghiệp Hà Nội ñã tận tình giúp

ñỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện ñề tài nghiên cứu khoa học

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lưu Hồng Việt – người ñã ñịnh hướng, chỉ bảo và hết lòng tận tụy, dìu dắt tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu ñề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn ñến những người thân trong gia ñình, bạn bè và ñồng nghiệp ñã ñộng viên, cổ vũ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học Nếu không có những sự giúp ñỡ này thì chỉ với sự cố gắng của bản thân tôi sẽ không thể thu ñược những kết quả như mong ñợi

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2011

Người cảm ơn

Nguyễn ðức Phú

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… iii

MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG ix

MỞ ðẦU 1

1 Tính cấp thiết của ñề tài 1

2 Phạm vi ñề tài 2

3 Mục ñích nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Nôi dung của ñề tài 2

CHƯƠNG I 4

TỔNG QUAN VỀ BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ QUÁ TRÌNH 4

1.1 Sự phát triển của kỹ thuật ñiều khiển quá trình 4

1.2 Tính cấp thiết của ñiều khiển quá trình 4

1.3 Giới thiệu chung về ñiều khiển quá trình 5

1.3.1 Khái quát chung 5

1.3.2 Phân loại quá trình 8

1.3.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống 9

1.3.4 Thời gian chết của quá trình 10

1.4 Vai trò của bộ ñiều khiển số trong hệ thống 12

1.4.1 Vị trí trong hệ thống ñiều khiển 12

1.4.2 Các ứng dụng chính của bộ ñiều khiển số quá trình 13

1.4.3 Ưu nhược ñiểm của bộ ñiều khiển số quá trình 13

1.5 Giới thiệu một số bộ ñiều khiển số công nghiệp 14

1.5.1 ðặc ñiểm 15

1.5.2 Các thông số khác 17

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… iv

CHƯƠNG II 18

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ VI ðIỀU KHIỂN 18

2.1 Giới thiệu chung 18

2.2 Giới thiệu tổng quan về vi ñiều khiển ATMEGA 16 18

2.2.1 ðặc tính của ATmega16 18

2.2.2 Cấu trúc bên trong ATmega16 20

2.2.3 Các cổng vào/ra (các PORT xuất nhập ña dụng) 21

2.2.4 Bộ biến ñổi ADC 23

2.2.5 Bộ truyền nhận dữ liệu USART 27

2.2.6 Bộ ñịnh thời Timer/Counter 31

CHƯƠNG III 37

MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 37

3.1 Cơ sở mạng truyền thông công nghiệp 37

3.1.1 Kiểu truyền 37

3.1.2 Lập chương trình cho mạng truyền 39

3.2 Giới thiệu một số chuẩn truyền thông 44

3.2.1 Chuẩn truyền thông RS-232 44

3.2.2 Chuẩn truyền thông RS-485 47

CHƯƠNG IV 55

THIẾT KẾ BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ 55

4.1 Thuật toán ñiều khiển 55

4.1.1 ðiều khiển ON/OFF 55

4.1.2 Bộ ñiều khiển PID 55

4.2 Thiết kế phần cứng 62

4.2.1 Khối xử lý trung tâm 62

4.2.2 Bàn phím 63

4.2.3 Khối vào 64

4.2.4 Khối ra 68

4.2.5 Khối hiển thị 75

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… v

4.2.6 Khối truyền thông 77

4.2.7 Khối nguồn 78

4.3 Thiết kế phần mềm ñiều khiển 81

4.3.1 Chương trình phần mềm 81

4.3.2 Xây dựng lưu ñồ thuật toán ñiều khiển 82

4.4 Kết nối chạy thí nghiệm 88

4.4.1 Kết quả thực hiện 88

4.4.2 Chạy thí nghiệm 91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94

Tài liệu tham khảo: 96

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… vi

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình 6

Hình 1.2: Sơ ñồ công nghệ và sơ ñồ khối của quá trình ñiều khiển mực nước 8

Hình 1.3: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ñiều khiển quá trình 9

Hình 1.4: Bộ ñiều khiển trong hệ thống lớn 12

Hình 2.1: Sơ ñồ cấu trúc bên trong Atnega16 21

Hình 2.2: Sơ ñồ chân của ATmega16 21

Hình 2.3: Sơ ñồ bộ biến ñổi ADC 24

Hình 2.4: Thanh ghi ADMUX 25

Hình 2.5: Thanh ghi ñiều khiển và trạng thái ADC 26

Hình 2.6: Thanh ghi dữ liệu ADC 26

Hình 2.7: Sơ ñồ khối bộ USART 28

Hình 3.8: ðơn vị tạo xung clock 29

Hình 2.9: ðịnh dạng khung truyền 29

Hình 2.10: Sơ ñồ khối của Timer/Counter0 32

Hình 2.11: Giản ñồ thời gian của chế ñộ PWM 33

Hình 2.12: Sơ ñồ khối của timer/counter1 34

Hình 2.13: Sơ ñồ khối của timer/counter2 35

Hình 2.14: Giản ñồ thời gian của chế ñộ CTC 36

Hình 3.1: ðồng bộ khung trong truyền tập tin ASCII 38

Hình 3.2: ðồng bộ khung trong truyền tập tin nhị phân 38

Hình 3.3: Truyền ñồng bộ hướng ký tự 38

Hình 3.4: Truyền ñồng bộ hướng bit 39

Hình 3.5: Hoạt ñộng của giao thức Master/Slave 40

Hình 3.6: Hoạt ñộng của mạng Token ring 41

Hình 3.7: Hoạt ñộng của giao thức Data Collision 42

Hình 3.8: Mô tả cổng nối tiếp RS-232 45

Hình 3.9: Kiểu truyền cân bằng 2 dây 49

Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦ vii

Hình 3.10: Cặp dây xoắn trong RS485 49

Hình 3.11: Cách xác ựịnh áp kiểu chung 50

Hình 3.12: Truyền RS485 khi tham chiếu với ựất 51

Hình 3.13 : Cách ựặt ựiện trở ựầu cuối RT trong RS485 51

Hình 3.14: Tắn hiệu RS485 thu ựược tương ứng với 2 giá trị ựiện trở RT 52

Hình 3.15: Phân cực cho ựường truyền RS485 52

Hình 3.16: Sơ ựồ một phát, một nhận trong RS485 52

Hình 3.17: Sơ ựồ một phát, một nhận trong RS485 53

Hình 3.18 : Sơ ựồ một phát, nhiều nhận trong RS485 53

Hình 3.19: Sơ ựồ sử dụng 2 bộ truyền nhận trong RS485 53

Hình 3.20: Sơ ựồ sử dụng nhiều bộ truyền nhận trong RS485 53

Hình 3.21: đoạn dây rẽ nhánh trong RS485 54

Hình 3.22: Một dạng kết nối ựường truyền RS485 hợp lắ 54

Hình 4.1: đáp ứng quá trình ựiều khiển ON/OFF nhiệt ựộ lò nhiệt 55

Hình 4.2: Mô hình bộ ựiều khiển PID số 58

Hình 4.3: Chống bão hào tắch phân 59

Hình 4.4: Sơ ựồ khối của một hệ hở 60

Hình 4.5: đáp ứng của hệ hở 60

Hình 4.6: Sơ ựồ khối của một hệ kắn có bộ PID 60

Hình 4.7: Sơ ựồ khối của hệ kắn có bộ tỉ lệ P 61

Hình 4.8: đáp ứng của hệ kắn 61

Hình 4.9: Sơ ựồ khối bộ ựiều khiển 62

Hình 4.10: Sơ ựồ nguyên lý mạch ựiều khiển trung tâm 63

Hình 4.11: Sơ ựồ nguyên lý mạch nút bấm 64

Hình 4.12: Hình ảnh và sơ ựồ chức năng của cảm biến SHT71 65

Hình 4.13: đồ thị sai số của cảm biến SHT71 65

Hình 4.14: Sơ ựồ nguyên lý mạch kết nối giữa vi ựiều khiển với cảm biến SHT7166 Hình 4.15: Optical encoder quang tương ựối 66

Hình 4.16: Sơ ựồ dạng xung ngõ ra A và B 67

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… viii

Hình 4.17: Sơ ñồ nguyên lý mạch logic 68

Hình 4.18: Sơ ñồ nguyên lý mạch cầu H công suất 69

Hình 4.19: Sơ ñồ chân và mạch kết nối của IC IR2184 69

Hình 4.20: Giản ñồ thời gian của IC IR2184 71

Hình 4.21: Ký hiệu và sơ ñồ chân của MOSFET IRF3205N/TO 71

Hình 4.22: Dạng sóng VDS và VGS khi FET chuyển mạch 72

Hình 4.23: Hình ảnh sản phẩm module cầu H 73

Hình 4.24: Sơ ñồ nguyên lý mạch ñiều khiển ON/OFF 74

Hình 4.25: Sơ ñồ nguyên lý mạch cách ly sử dụng opto PC817 74

Hình 4.26: Sơ ñồ chân và giản ñồ thời gian ñóng cắt của opto PC817 75

Hình 4.27: Hình ảnh thực tế của màn hình LCD TC1602A 75

Hình 4.28: Sơ ñồ nguyên lý mạch kết nối LCD với vi ñiều khiển 77

Hình 4.29: Sơ ñồ chân và cấu tạo trong của IC MAX485 77

Hình 4.30: Mạch nguyên lý khối RS485 78

Hình 4.31: Sơ ñồ nguyên lý mạch nguồn cấp 79

Hình 4.32: Sơ ñồ nguyên lý tổng thể 80

Hình 4.33: Sơ ñồ khối chương trình 81

Hình 4.34:Lưu ñồ thuật toán truyền thông trên Slave 82

Hình 4.35:Lưu ñồ thuật toán truyền thông trên Master 83

Hình 4.36:Lưu ñồ thuật toánPID 84

Hình 4.37:Lưu ñồ thuật toán ON/OFF 1 85

Hình 4.38:Lưu ñồ thuật toán ON/OFF 2 86

Hình 4.39:Lưu ñồ thuật toán ñiều khiển phím bấm 87

Hình 4.40: Sơ ñồ bố trí linh kiện của board mạch ñiều khiển 88

Hình 4.41: Sơ ñồ mạch in của board mạch ñiều khiển 89

Hình 4.42: Sơ ñồ mạch in hai lớp thực tế của board mạch ñiều khiển 89

Hình 4.43: Hình ảnh board mạch ñiều khiển ñã chế tạo 90

Hình 4.44: Hình ảnh các mạch ñiều khiển ñã chế tạo 90

Hình 4.45: Sơ ñồ kết nốihệ thống chạy thí nghiệm 92

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… ix

Hình 4.46: Hình ảnh ñộng cơ DC sử dụng chạy thí nghiệm 92

Hình 4.47: Giao diện ñiều khiển trên máy tính khi khởi tạo chương trình 92

Hình 4.48: Giao diện cài ñặt tham số quá trình và tham số cho bộ ñiều khiển 93

Hình 4.49: Giao diện ñịnh ñịa chỉ cho bộ ñiều khiển 93

Hình 4.50: Giao diện ñiều khiển trên máy tính khi ñang chạy chương trình 93

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thông số của bộ ñiều khiển số E5AR 17

Bảng 2.1: Tổ hợp logic chọn kênh ñầu vào 25

Bảng 2.2: Chọn chọn giá tri ñiện cho ADC của các bit REFS1 và REFS0 25

Bảng 3.1: Bảng sắp xếp chân của cổng nối tiếp ở máy tính 45

Bảng 3.2: Bảng tóm tắt thông số của RS-485 .48

Bảng 4.1: Bảng tính các thông số PID theo Zieger-Nichols thứ nhất 60

Bảng 4.2: Bảng tính các thông số PID theo Zieger-Nichols thứ hai 61

Bảng 4.3: Bảng hoạt ñộng của mạch logic 68

Bảng 4.4: Bảng hoạt chức năng chân của IC IR2184 70

Bảng 4.5: Bảng một số ñặc tính cơ bản của IRF3205N/TO 72

Bảng 4.6: Bảng chức năng chân của LCD TC1602A 76

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 1

MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Như chúng ta ñã biết trong ñiều kiện khoa học kỹ thuật và kinh tế phát triển như hiện nay thì qui trình tự ñộng hóa trong công nghiệp và sản xuất hầu như không thể thiếu ñược Nó ñóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc giúp tăng năng suất, tăng ñộ chính xác và do ñó làm tăng hiệu quả sản xuất Trong ñó, một nhân tố rất quan trọng, một mắt xích chính trong các dây truyền sản suất chính là các bộ ñiều khiển số quá trình

Các bộ ñiều khiển số ra ñời cho thấy những ưu việt hơn so với bộ ñiều khiển tương tự truyền thống như:

- Mềm dẻo trong việc thay ñổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự ñộng

Mặt khác, hầu hết các bộ ñiều khiển số hiện nay ñều là do nước ngoài sản xuất, các sản phẩm của Việt Nam hầu như không có mặt trên thị trường Chính vì thế việc nghiên cứu nguyên lý cấu trúc của bộ ñiều khiển số phổ biến hiện nay là rất cần thiết ñể có thể chế tạo ra những bộ ñiều khiển số với tính năng gần như tương

tự Bởi vậy, chúng tôi ñã chọn ñề tài “Thiết kế chế tạo bộ ñiều khiển số quá trình

trên nền vi ñiều khiển AVR” với mong muốn ñạt ñược phần nào ñiều ñó

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 2

2 Phạm vi ñề tài

Thiết kế chế tạo bộ ñiều khiển số quá trình có nhiệm vụ thực hiện ñiều khiển: Nhiệt ñộ-ñộ ẩm, ổn ñịnh tốc ñộ ñộng cơ một chiều công suất vừa và nhỏ Thiết kế giao diện ñiều khiển trên máy tính

3 Mục ñích nghiên cứu

Thiết kế chế tạo bộ ñiều khiển số quá trình với nhiều tính năng, khả năng tích hợp cao, thực hiện ñiều khiển ñồng thời nhiều thông số của một quá trình từ một bộ ñiều khiển vì vậy chúng rất thích hợp cho các ứng dụng hiện nay Tác giả ñã thiết

kế chế tạo bộ ñiều khiển số quá trình có các chức năng:

Chức năng ñiều khiển: ðiều khiển ổn ñịnh nhiệt ñộ - ñộ ẩm theo luật ON/OFF, ñiều khiển ổn ñịnh tốc ñộ ñộng cơ một chiều theo luật PID

Chức năng truyền thông: Sử dụng chuẩn chuyền thông RS232 và RS485 ñể truyền - nhận các tham số cài ñặt cho bộ ñiều khiển và các tham số quá trình từ bộ ñiều khiển về trung tâm ñiều khiển và ngược lại

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về: ðiều khiển quá trình, ñiều khiển số, họ vi ñiều khiển AVR, các chuẩn truyền thông công nghiệp và các thuật toán ñiều khiển, trình biên dịch CodevisionAVR, ngôn ngữ lập trình C

Sử dụng kết quả nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ ñiều khiển số quá trình và áp dụng trong ñiều khiển ổn ñịnh tốc ñộ ñộng cơ một chiều và ñiều khiển nhiệt ñộ-ñộ

ẩm Giao diện ñiều khiển trên máy tính

5 Nôi dung của ñề tài

Chương I: Tổng quan về bộ ñiều khiển số quá trình

Chương II: Giới thiệu chung về bộ vi ñiều khiển

Chương III: Mạng truyền thông công nghiệp

Chương IV: Thiết kế bộ ñiều khiển số

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 3

Trong luận văn này ñề cập ñến vấn ñề mang tính thực tiễn, các thiết kế dựa trên cơ sở phân tích và tính toán từ các sản phẩm hiện có trên thị trường Các giải pháp ñề ra dựa trên cơ sở lý thuyết và thực tiễn, phù hợp với ñiều kiện hiện nay Thiết bị kỹ thuật, linh kiện ñiện tử sử dụng trong ñề tài này là những thiết bị có sẵn trên thị trường thiết bị ñiện Việt Nam

ðể luận văn ñược hoàn thành là nhờ sự hướng dẫn, giúp ñỡ chỉ bảo tận tình của các Thầy, các Cô trong bộ môn ðiện kỹ thuật Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội, ñặc biệt là sự hướng dẫn tận tình và chu ñáo của thầy TS Lưu Hồng Việt thuộc

Bộ môn ðiều khiển tự ñộng Trường ðại học Bách Khoa Hà Nội

Mặc dù ñã rất cố gắng, xong do hạn chế về trình ñộ, kiến thức, thời gian thực hiện nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, khiếm khuyết, rất mong nhận ñược sự chỉ bảo, bổ xung của các Thầy, Cô

Em xin chân thành cảm ơn !

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ QUÁ TRÌNH 1.1 Sự phát triển của kỹ thuật ñiều khiển quá trình

Công nghệ thiết bị ño quá trình tiếp tục ñược phát triển trong cả hai lĩnh vực ứng dụng và nghiên cứu Vào năm 1774 Jame Watt ñã lần ñầu tiên sử dụng hệ thống ñiều khiển có phản hồi áp dụng vào trong quả văng ñể ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng

cơ hơi nước 10 năm sau Oliver Evans ñã vận dụng kĩ thuật ñiều khiển ñể tự ñộng hoá nhà máy xay bột Philadelphia

Ban ñầu, những thiết bị ño quá trình phát triển rất chậm, bởi vì có rất ít quá trình công nghệ ñể ứng dụng Vì vậy vào cuối thế kỉ 20 khi công nghiệp bắt ñầu phát triển thì thiết bị ño quá trình phát triển theo Tuy nhiên, chỉ có thiết bị ño quá trình trực tiếp là có thể thực hiện ñược cho ñến cuối những năm 30 Vào những năm

40, hệ thống truyền ñộng bằng khí nén ñã làm cho các hệ thống phức tạp và các phòng ñiều khiển trung tâm có thể thực hiện ñược Thiết bị ño ñiện tử ñã trở lên phổ biến vào những năm 50 và tính phổ biến của nó ñã làm cho công nghệ thiết bị ño quá trình phát triển nhanh chóng từ ñó Và chủ yếu trong vòng 10 năm ñó, sự xuất hiện công nghệ máy tính số ñã giải quyết những vướng mắc của những quá trình phức tạp hơn Tuy nhiên, yêu cầu ñặt ra lúc này là thiết bị quá trình tương lai sẽ phải kết hợp ñược hệ thống số và hệ thống tương tự

1.2 Tính cấp thiết của ñiều khiển quá trình

Ngày nay tất cả các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp ñều ñược trang bị các

hệ thống tự ñộng hoá ở mức cao Các hệ thống này nhằm mục ñích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng xuất lao ñộng, giảm chi phí sản xuất, giải phóng người lao ñộng khỏi những vị trí làm việc ñộc hại vv…

Các hệ thống tự ñộng hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình công nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống ño lường kiểm tra Các hệ thống tự ñộng hoá thực hiện chức năng ñiều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và ñiều khiển toàn

bộ quá trình công nghệ hoặc toàn bộ xí nghiệp nói chung Hệ thống tự ñộng hoá ñảm

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 5

bảo cho quá trình công nghệ xảy ra trong ñiều kiện cần thiết và bảo ñảm nhịp ñộ sản xuất mong muốn của từng công ñoạn trong quá trình công nghệ Chất lượng của sản phẩm và năng suất lao ñộng của các phân xưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc rất lớn vào chất lượng làm việc của các hệ thống tự ñộng hoá này

ðể phát triển sản xuất, ngoài việc nghiên cứu hoàn thiện các quá trình công nghệ hoặc ứng dụng công nghệ mới thì một hướng nghiên cứu không kém phần quan trọng là nâng cao mức ñộ tự ñộng hoá các quá trình công nghệ Do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi ñiện tử và công nghệ chế tạo cơ khí chính xác, các thiết bị ño lường và ñiều khiển các quá trình công nghệ càng ñược chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy và chính xác

1.3 Giới thiệu chung về ñiều khiển quá trình

1.3.1 Khái quát chung

Khái niệm ñiều khiển quá trình ñược hiểu là ứng dụng các kỹ thuật ñiều khiển

tự ñộng trong ñiều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm ñảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho người, máy móc

Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc chuyển ñổi sinh học, trong ñó vật chất, năng lượng hoặc thông tin ñược biến ñổi, vận chuyển hoặc lưu trữ

Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến ñổi vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất, năng lượng trong một dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất

Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các ñại lượng ño ñược hoặc/can thiệp ñược Khi nói tới một quá trình kỹ thuật ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật và các phương tiện kỹ thuật như thiết bị ño, thiết bị chấp hành

Một cách tổng quát nhiệm vụ của hệ thống ñiều khiển quá trình là can thiệp vào các biến ñiều khiển một cách hợp lý ñể các biến ra của nó thoả mãn chỉ tiêu cho trước ñồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình ñến môi trường và con người xung quanh Mô hình tổng quát của một quá trình như hình 1.1

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 6

Trạng thái hoạt ñộng và diễn biến của một quá trình ñược thể hiện qua các biến quá trình Các biến quá trình bao gồm biến vào và biến ra Biến vào là một ñại lượng hoặc một ñiều kiện phản ánh tác ñộng từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ như dòng nguyên liệu, nhiệt ñộ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái ñóng/mở của rơle sợi ñốt… Biến ra là một ñại lượng hoặc một ñiều kiện thể hiện tác ñộng của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng ñộ sản phẩm hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng ñộ khí thải…

Biến trạng thái là các biến mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình,

ví dụ nhiệt ñộ lò, áp suất hơi, mức chất lỏng … trong nhiều trường hợp biến quá trình có thể coi là biến ra

Biến cần ñiều khiển (controlled variable) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của một quá trình ñiều khiển, ñiều chỉnh ổn ñịnh ở giá trị ñặt hoặc bám theo tín hiệu chủ ñạo (tín hiệu mẫu)

Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình

Biến ñiều khiển (manipulated variable) là một biến có thể can thiệp trực tiếp

từ bên ngoài, qua ñó tác ñộng tới biến ra theo ý muốn

Biến vào

Biến không cần ñiều khiển

Biến cần ñiều khiển

Biến không cần ñiều khiển

Vật chất Năng lượng Thông tin

Vật chất

Năng lượng

Thông tin

Quá trình

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 7

Những biến còn lại không can thiệp một cách trực tiếp hoặc gián tiếp trong phạm vi quá trình quan tâm thì ñược coi là nhiễu

Các quá trình ñược ñiều khiển bằng các bộ ñiều khiển quá trình Bộ ñiều khiển chính xác phải giữ cân bằng yếu tố năng lượng hoặc nguyên liệu chống lại những sai lệch xuất hiện trong quá trình Hầu hết những bộ ñiều khiển quá trình trong thực tế là bộ ñiều khiển phản hồi Bộ ñiều khiển dựa vào giá trị ño ñược của biến cần biến ñiều khiển, so sánh với giá trị ñịnh mức (giá trị ñặt) và sử dụng sai lệch ñể có tác ñộng hiệu chỉnh theo mong muốn Nhiều hệ thống phức tạp hơn ño giá trị năng lượng hoặc nguyên liệu ñầu vào hoặc cả hai yếu tố năng lượng và nguyên liệu cấp cho quá trình ñể ñiều khiển ñầu ra ðể làm rõ hơn vấn ñề này ta xem xét ví dụ về ñiều khiển mực nước trong bình chất lỏng

a Sơ ñồ công nghệ

F0

Fi

Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦ 8

b Sơ ựồ khối

Bình chứa

Biến cần ựiều khiển h

Biến ựiều khiển

Fi

Hình 1.2: Sơ ựồ công nghệ và sơ ựồ khối của quá trình ựiều khiển mực nước

đáp ứng của một quá trình theo thời gian xác ựịnh ựặc tắnh ựộng lực học của quá trình đáp ứng không chịu ảnh hưởng của thời gian sẽ xác ựịnh ựặc tắnh tĩnh của quá trình Cả ựặc tắnh tĩnh (trạng thái ổn ựịnh) và ựặc tắnh ựộng lực học (thay ựổi theo thời gian) ựều phải ựược tắnh toán cụ thể trong quá trình hoạt ựộng của hệ thống và tìm hiểu rõ trước khi tiến hành thiết kế bộ ựiều khiển quá trình điều này giữ vai trò rất quan trọng bởi lẽ nếu ta không tìm hiểu rõ và xác ựịnh cụ thể ựặc tắnh của hệ thống thì khi bắt tay vào thiết kế bộ ựiều khiển sẽ gặp rất nhiều khó khăn đó

là dạng ựặc tắnh ựáp ứng của bộ ựiều khiển không bám ựúng dạng ựặc tắnh của hệ thống hoặc là bộ ựiều khiển không tối ưu ựược các yêu cầu ựề ra của hệ thống gây lãng phắ nguyên nhiên liêu ựầu vào

1.3.2 Phân loại quá trình

Các quá trình công nghệ ựược phân loại theo nhiều cách khác nhau

- Theo số biến vào ra thì quá trình ựược chia thành:

+ Quá trình ựơn biến: Quá trình chỉ có một biến vào và một biến ra, single - input single Ờ output (SISO)

+ Quá trình ựa biến: Quá trình có nhiều biến vào và nhiều biến ra, input Multi-ouutput (MIMO)

Multi Theo ựặc tắnh của các ựại lượng ựặc trưng

+ Quá trình liên tục: Là quá trình mà năng lượng hoặc nguyên liệu ựầu vào ựược biến ựổi một cách liên tục

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 9

Tín hiệu ñiều

chấp hành

Bộ ñiều khiển

(PV) (PM)

(SP)

Hình 1.3: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ñiều khiển quá trình

Giá trị ñặt Set Point (SP), Set Value (SV)

Tín hiệu ñiều khiển Control Signal, Controller Output (CO)

Biến ñiều khiển Control Variable, Manipulate Variable (MV)

Biến ñược ñiều khiển Controlled Variable (CV)

ðại lượng ño Measured Variable, Process Value (PV)

Tín hiệu ño Measured Signal, Process Measurement (PM)

và biến ñổi thành một tín hiệu ðể thuận tiện trong ñiều khiển cũng như truyền ñi xa

và thuận tiện trong việc sử dụng các thiết bị ñiều khiển, chỉ báo, tín hiệu từ cảm biến ñược biến ñổi thành dạng tín hiệu ñiện, tín hiệu khí nén…, các tín hiệu chuẩn

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 10

thường là: 1-10V, 0-20mA, 4-20mA Các tham số ở ñây có thể là các biến như: Nhiệt ñộ, ñộ ẩm, áp suất, lưu lượng, mức, … và một số ñại lượng khác

Thiết bị ñiều khiển hay bộ ñiều khiển là phần cốt lõi của một hệ thống ñiều khiển quá trình trong công nghiệp Một bộ ñiều khiển có thể là một thiết bị ñiều khiển ñơn lẻ, một khối phần mềm cài ñặt trong thiết bị ñiều khiển chia sẻ (ví dụ bộ PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị chia sẻ (cả một trạm PLC/DCS)

Tuỳ theo dạng tín hiệu vào/ra và phương pháp thể hiện luật ñiều khiển, một thiết bị ñiều khiển có thể ñược phân thành thiết bị tương tự, thiết bị ñiều khiển logic, thiết bị ñiều khiển số Một thiết bị ñiều khiển số ñược xây dựng trên cơ sở máy tính số có khả năng thay thế cả thiết bị ñiều khiển tương tự và ñiều khiển logic Một thiết bị ñiều khiển số không những cho chất lượng ñiều khiển cao, tin cậy mà còn cho phép thực hiện nhiều chức năng cùng một lúc Có thể nói rằng tất cả các giải pháp hiện ñại (PLC, DCS) ñều là một hệ thống ñiều khiển số

Một hệ thống/thiết bị chấp hành có chức năng nhận tín hiệu từ bộ ñiều khiển

và thực hiện tác ñộng can thiệp tới biến cần ñiều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu là ñộng cơ, van, bơm, quạt gió Thông qua thiết bị chấp hành mà hệ thống ñiều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình công nghệ

1.3.4 Thời gian chết của quá trình

Thời gian chết sinh ra là do ñặc ñiểm của quá trình thực, nó làm cho tác ñộng ñiều khiển của bộ ñiều khiển ñến quá trình bị chậm lại Nó tính từ khi có tác ñộng của bộ ñiều khiển và trong suốt khoảng thời gian chết này không có ñáp ứng nào của hệ thống xảy ra ñối với tác ñộng ñiều khiển ñó Các quá trình như trên thường gặp trong ñiều khiển nhiệt ñộ, lưu lượng, áp suất , phản ứng hoá học… Nó ñược

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 11

ñặc trưng bởi hàm truyền có dạng bậc một hay bậc cao hơn với thời gian chết như

e K

F

p

s p

Bộ ñiều khiển phản hồi kín ñược sử dụng trong những trường hợp này, dùng tín hiệu ñầu ra phản hồi lại ñể hiệu chỉnh lại tác ñộng ñầu vào và làm giảm ảnh hưởng của thời gian chết lên quá trình Một quá trình có thời gian chết làm cho ta không quan sát ngay ñược tác ñộng của tín hiệu ñiều khiển, do ñó tác ñộng của bộ ñiều khiển quá trình bị trễ là ñiều không thể tránh khỏi Thời gian chết làm bất kỳ tín hiệu nào cũng bị trễ lại trong khoảng thời gian ñó Cần chú ý là ñối với các tín hiệu hình sin, thời gian chết làm thay ñổi góc pha giữa tín hiệu ñầu vào và tín hiệu ñầu ra Vì thế thời gian chết ñược coi là một trong các yếu tố khó khăn nhất của ñiều khiển quá trình

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 12

1.4 Vai trò của bộ ñiều khiển số trong hệ thống

1.4.1 Vị trí trong hệ thống ñiều khiển

Hình 1.4: Bộ ñiều khiển trong hệ thống lớn

Trong hệ thống lớn, các bộ ñiều khiển quá trình có thể tham gia là một thành phần của hệ ñiều khiển lớn như DCS Vị trí của nó trong hệ thống gần với cấp trường có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu từ quá trình như nhiệt ñộ, áp xuất, mức…rồi thông qua mạng truyền thông nó sẽ truyền dữ liệu này lên cấp cao hơn rồi nhận những chỉ thị từ trên xuống Không những thế, với xu hướng tích hợp cao như hiện nay, các bộ ñiều khiển quá trình ñược tích hợp sẵn các thuật toán ñiều khiển như PID, mờ… vì thế nó có khả năng xử lý tính toán dữ liệu và ñưa ra lệnh ñiều khiển cho các thiết bị chấp hành

Với những ứng dụng riêng lẻ, các bộ ñiều khiển số quá trình có khả năng ñiều khiển linh hoạt, dễ dàng ñược sử dụng ngay cả với người ít kinh nghiệm do giao diện linh hoạt thân thiện Có màn hình hiển thị trực quan báo ñộng cảnh báo ñáp ứng ñược tốc ñộ cao ñảm bảo tính năng thời gian thực

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 13

1.4.2 Các ứng dụng chính của bộ ñiều khiển số quá trình

ðiều khiển giám sát

- Thay thế cho ñiều khiển rơle

- Thay cho các panel ñiều khiển mạch in

- ðiều khiển tự ñộng bán tự ñộng các quá trình ðiều khiển dãy

- Cung cấp thông tin

- ðiều khiển liên tục (nhiệt ñộ, áp suất, ñộ ẩm, …)

- ðiều khiển PID

- ðiều khiển ñộng cơ chấp hành

- ðiều khiển ñộng cơ Như vậy ứng dụng bộ ñiều khiển số trong công nghiệp là vô cùng phong phú trong rất nhiều lĩnh vực vì vậy càng thấy rõ vai trò quan trọng của nó

1.4.3 Ưu nhược ñiểm của bộ ñiều khiển số quá trình

Sự ra ñời của bộ ñiều khiển số quá trình ñã ñáp ứng ñược yêu cầu cần thiết của việc ñiều khiển các thông số quá trình và một loạt các yêu cầu khác mà các thiết

bị ñiều khiển logic trước nó không thể ñáp ứng ñược hoặc ñáp ứng hạn chế

ðộ tin cậy cao

Thích ứng trong môi trường khắc nghiệt

- Nhược ñiểm

Các bộ ñiều khiển số quá trình có phần mềm ñiều khiển cố ñịnh ñược nạp trước dẫn ñến thiếu linh hoạt

- So sánh với PC, PLC

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 14

Ngày nay các ứng dụng ñiều khiển PC, PLC ñang phát triển Tuy nhiên vai trò của các bộ ñiều khiển quá trình là không thể thiếu vì các lý do sau:

Các bộ ñiều khiển số quá trình có cấu trúc nhỏ gọn, thuận tiện lắp ñặt sử dụng do ñặc ñiểm của các thiết bị ñiều khiển là gần các thiết bị trường

Khả năng vận hành tốt ổn ñịnh trong môi trường công nghiệp, tính nhanh nhạy, ñảm bảo tính năng thời gian thực

Giá thành rẻ hơn so với PC, PLC thích hợp với bài toán ñiều khiển nhỏ giảm chi phí

Dễ dàng vận hành

1.5 Giới thiệu một số bộ ñiều khiển số công nghiệp

Hiện nay trên thị trường, các bộ ñiều khiển số rất phong phú và ña dạng do nhiều hãng sản xuất Trong ñó phải kể ñến như là các bộ ñiều khiển E5AR, E5ER của Omron Với nhiều tính năng, khả năng tích hợp cao chúng rất thích hợp cho các ứng dụng hiện nay

Bộ ñiều khiển số E5AR

Có 4 kiểu dạng sau:

- Kiểu cơ bản: 1 vòng ñiều khiển chuẩn và 1 vòng cho ñiều khiển nóng hoặc lạnh + 4 ñầu ra cảnh báo, 2 ñầu vào sự kiện, 2 ñầu ra (ñiều khiển/chuyển ñổi) + 4 ñầu ra cảnh báo, 6 ñầu vào sự kiện, truyền thông RS485, 2/4 ñầu ra (ñiều khiển/chuyển ñổi)

- Kiểu 2 vòng ñiều khiển: 2 vòng ñiều khiển chuẩn, 2 vòng cho ñiều khiển nóng hoặc lạnh, 1 vòng cho ñiều khiển tầng, 1 vòng cho ñiều khiển với giá trị ñặt,

+ 1 vòng ñiều khiển tỉ lệ

+ 4 ñầu ra cảnh báo, 4 ñầu vào sự kiện, truyền thông RS485

+ 2/4 ñầu ra (ñiều khiển/chuyển ñổi)

- Kiểu 4 vòng ñiều khiển: 4 vòng ñiều khiển chuẩn, 2 vòng cho ñiều khiển nóng lạnh

+ 4 ñầu ra cảnh báo, 4 ñầu vào sự kiện, truyền thông RS485

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 15

+ 4 ñầu ra (ñiều khiển/chuyển ñổi)

- Kiểu ñiều khiển vị trí-tỷ lệ: 1 vòng cho ñiều khiển vị trí-tỷ lệ

+ 4 ñầu ra cảnh báo, 4 ñầu vào sự kiện

4 ñầu ra phụ trợ: ñầu ra ngoài cho 11 kiểu và lỗi ñầu vào, truyền thông RS

485, 4 vòng ñiều khiển với 1 bộ ñiều khiển Với 4 ñầu vào analog Có thể thay ñổi kiểu ñiều khiển bằng phần mềm Bao gồm ñiều khiển chuẩn, ñiều khiển nóng lạnh, ñiều khiển tầng, ñiều khiển tỷ lệ, và ñiều khiển giá trị ñặt từ xa ðiều này cho phép với 1 bộ ñiều khiển có thể thực hiện 4 vòng ñiều khiển Nhiệt ñộ, ñộ ẩm, áp suất có thể ñược ñiều khiển ñồng thời từ 1 bộ ñiều khiển làm giảm giá thành và bảng ñiều khiển nhỏ

Bộ ñiều khiển EA5R cung cấp tốc ñộ cao, ñộ chính xác cao, nhiều ñầu vào

ra, hiển thị LCD với 5 số, 3 hàng ñể dễ dàng quan sát:

Chu kỳ trích mẫu 50 ms cho các ứng dụng ñòi hỏi ñáp ứng tốc ñộ cao

PV, SV, MV (manipulated variable)hiển thị ñồng thời ở 3 dòng và phần LCD không hiển thị màu ñen

Khi dùng với chức năng truyền thông giá trị ñặt có thể ñược tải xuống và ñặt

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 16

Cảm biến: Hỗ trợ nhiều loại cặp nhiệt như K, J, T, E, …B, W Pt100 Dòng vào từ 0-20mA hoặc 4-20mA DC ðiện áp từ 0-5VDC hoặc 1-5 VDC Trở kháng vào là 150Ω ñối với dòng và khoảng 1MΩ ñối với áp

ðầu ra ñiều khiển: ðiện áp lớn nhất là 12VDC, 40mA ñối với bảo vệ ngắn mạch Dòng ra 4 -20mA hoặc 0 -20mA tải 500Ω ðầu ra rơ-le ñối với loại ñiều khiển vị trí, tỷ lệ 250VAC, 1A

ðầu ra phụ trợ: Rơ-le ñầu ra 250VAC, 1A ( tải trở) Transistor ñầu ra: ðiện áp tải lớn nhất 30VDC, dòng 50mA ðiện áp dư lớn nhất 1.5V, dòng rò lớn nhất 0.4mA

ðầu vào chiết áp từ 100V-2.5kΩ

Phương pháp ñiều khiển: Dùng PID2 hoặc ñiều khiển ON/OFF

Setting: dùng phím bấm hoặc cổng truyền thông

Hiển thị: dùng led 7 thanh hoặc bộ chỉ thị ñơn

- Chiều dài dữ liệu 7-8 bits

- Chiều dài bit dừng 1-2 bits

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 17

Chu kỳ ñiều khiển 0.2-99.0s ñơn vị là 0.1s

Dải tỷ lệ 0.00%-999.9% FS

Thời gian tích phân 0.0-3999.9s

Thời gian vi phân 0.0-3999.9

Chu kỳ trích mẫu ñầu vào 50ms

ðặt lại giá trị bằng tay 0.0-100.0%

Sốc trở kháng 100 m/s2 3 lần cho mỗi hướng X,Y,Z

Dòng khởi ñộng Loại 100-240VAC lớn nhất là 50A

Loại 10-24 VDC/VAC lớn nhất là 30A

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 18

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ VI ðIỀU KHIỂN 2.1 Giới thiệu chung

Bộ vi ñiều khiển viết tắt là Micro – controller, là mạch tích hợp trên một con chip và có thể lập trình ñược, dùng ñể ñiều khiển hoạt ñộng của một hệ thống Theo các tập lệnh của nhà sản xuất, người sử dụng có thể lập trình ñể vi ñiều khiển tiến hành ñọc, giải mã, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, và từ ñó sẽ thực hiện một công việc của một cơ cấu nào ñó

Trong thiết bị ñiện, ñiện tử dân dụng, các bộ vi ñiều khiển ñiều khiển hoạt ñộng của TV, ñầu ñọc laser, ñiện thoại, lò vi sóng Trong hệ thống công nghiệp tự ñộng, chúng ñược sử dụng trong Robot, dây truyền băng tự ñộng Các hệ thống càng thông minh thì bộ vi ñiều khiển càng ñóng vai trò quan trọng

2.2 Giới thiệu tổng quan về vi ñiều khiển ATMEGA 16

ATmega16 là vi ñiều khiển chuẩn CMOS 8 bit tiết kiệm năng lượng, ñược chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer), ñây là cấu trúc có tốc ñộ xử lý cao hơn nhiều so với cấu trúc CISC (Complex Instruction Set Computer) Tần số hoạt ñộng của vi ñiều khiển AVR bằng với tần số của thạch anh, trong khi với họ vi ñiều khiển theo cấu trúc CISC như họ 8051 thì tần số hoạt ñộng bằng tần số thạch anh chia cho 12 Hầu hết các lệnh ñược thực thi trong một chu kỳ xung nhịp, do ñó ATmega16 có thể ñạt ñược tốc ñộ xử lý ñến một triệu lệnh mỗi giây (với tần số 1MHz) ðặc ñiểm này cho phép người thiết kế có thể tiết kiệm tối ña mức ñộ tiêu thụ năng lượng mà vẫn ñảm bảo tốc ñộ xử lý

2.2.1 ðặc tính của 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 ña năng

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 19

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

• Các bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu:

- 16Kbyte bộ nhớ Flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống

- Có thể thực hiện ñược 1.000 lần ghi xóa

- Vùng mã Boot tùy chọn với những bit khóa ñộc lập

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

- Thao tác ñọc ghi trong khi nghỉ

- 512 Byte EEPROM Có thể thực hiện 100.000 lần ghi xóa

- 1Kbyte SRAM nội

- Lập trình khóa an toàn phần mềm

• Ghép nối ngoại vi:

- 2 bộ ñịnh thời/bộ ñếm 8 bit với bộ chia tần số ñộc lập và chế ñộ so sánh

- 1 bộ ñịnh thời/bộ ñếm 16 bit với bộ chia tần số, chế ñộ so sánh và chế ñộ bắt mẫu (Capture)

- Bộ ñếm thời gian thực với bộ dao ñộng ñộc lập

- Bốn kênh PWM

- Bộ ADC 8 kênh 10 bit

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

- Bộ truyền dữ liệu chuẩn SPI

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

- Bộ so sánh Analog

• Các ñặc ñiểm khác:

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

- Bộ tạo dao ñộng nội

- Nguồn ngắt nội và ngoại

- 6 chế ñộ ngủ: Idle, ADC noise reduction, Power - save, Power-down, Standby và Extended Standby

• Ngõ vào/ra: có 32 ngõ vào ra

• ðiện áp hoạt ñộng:

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 20

4.5V - 5.5V ñối với ATmega16 (2.7V-5.5V ñối với ATmega16L)

• Tần số hoạt ñộng:

0 - 16MHz ñối với ATmega16 (0-8MHz ñối với ATmega16L)

2.2.2 Cấu trúc bên trong ATmega16

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 21

Hình 2.1: Sơ ñồ cấu trúc bên trong Atnega16

ATmega16 có các ñặc ñiểm sau: 16KB bộ nhớ Flash với khả năng ñọc trong khi ghi, 512 byte bộ nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM, 32 thanh ghi chức năng chung, 32 ñường vào/ra chung, 3 bộ ñịnh thời/bộ ñếm, ngắt nội và ngắt ngoại, USART, giao tiếp nối tiếp 2 dây, 8 kênh ADC 10 bit,

ATmega 16 hỗ trợ ñầy ñủ các chương trình và công cụ phát triển hệ thống như: trình dịch C, macro assemblers, chương trình mô phỏng/sửa lỗi, kit thử nghiêm,

2.2.3 Các cổng vào/ra (các PORT xuất nhập ña dụng)

Hình 2.2: Sơ ñồ chân của ATmega16

- Vi ñiều khiểnATmega16 có 32 ñường vào/ra chia làm bốn nhóm 8 bit một Các ñường vào/ra này có rất nhiều tính năng và có thể lập trình ñược Ở ñây ta sẽ xét chúng là các cổng vào/ra số Nếu xét trên mặt này thì các cổng vào/ra này là cổng vào ra hai chiều có thể ñịnh hướng theo từng bit và chứa cả ñiện trở pull-up (có thể lập trình ñược) Mặc dù mỗi port có các ñặc ñiểm riêng nhưng khi xét chúng

là các cổng vào/ra số thì dường như ñiều khiển vào/ra dữ liệu thì hoàn toàn như nhau Chúng ta có thanh ghi và một ñịa chỉ cổng ñối với mỗi cổng, ñó là: thanh ghi

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 22

dữ liệu cổng (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD), thanh ghi dữ liệu ñiều khiển cổng (DDRA, DDRB, DDRC, DDRD) và cuối cùng là ñịa chỉ chân vào của cổng (PINA, PINB, PINC, PIND)

- Thanh ghi DDRx

ðây là thanh ghi 8 bit (ta có thể ñọc và ghi các bit ở thanh ghi này) và có tác dụng ñiều khiển hướng cổng PORTx (tức là cổng ra hay cổng vào) Nếu như một bit trong thanh ghi này ñược set thì bit tương ứng ñó trên PORTx ñược ñịnh nghĩa như một cổng ra Ngược lại nếu như bit ñó không ñược set thì bit tương ứng trên PORTx ñược ñịnh nghĩa là cổng vào

- Thanh ghi PORTx

ðây cũng là thanh ghi 8 bit (các bit có thể ñọc và ghi ñược) nó là thanh ghi

dữ liệu của cổng Px và trong trường hợp nếu cổng ñược ñịnh nghĩa là cổng ra thì khi ta ghi một bit lên thanh ghi này thì chân tương ứng trên port ñó cũng có cùng mức logic Trong trường hợp mà cổng ñược ñịnh nghĩa là cổng vào thì thanh ghi này lại mang dữ liệu ñiều khiển cổng Cụ thể nếu bit nào ñó của thanh ghi này ñược set (ñưa lên mức 1) thì ñiện trở kéo lên (pull-up) của chân tương ứng của port ñó sẽ ñược kích hoạt Ngược lại nó sẽ ở trạng thái hi-Z Thanh ghi này sau khi khởi ñộng

Vi ñiều khiển sẽ có giá trị là 0x00

- Thanh ghi PINx

ðây là thanh ghi 8 bit chứa dữ liệu vào của PORTx (trong trường hợp PORTx ñược thiết lập là cổng vào) và nó chỉ có thể ñọc mà không thể ghi vào ñược

- Ngoài ra còn có các chân như:

+ GND: chân nối mass

+ VCC: ñiện áp nguồn

+ Reset: Chân ngõ vào Khi ñặt vào chân này ñiện áp mức thấp trong thời gian xác ñịnh thì sẽ reset chương trình Nếu thời gian ngắn hơn thì việc reset không thành công

+ XTAL1: ngõ vào khuếch ñại dao ñộng ñảo và cũng là ngõ vào mạch tạo xung nội

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 23

+ XTAL2: ngõ ra của mạch khuếch ñại dao ñộng ñảo

+ AVCC: là chân nguồn cấp cho Port A và bộ chuyển ñổi A/D Nên nối chân này với chân VCC ngay cả khi không sử dụng ADC Nếu dùng ADC thì nên nối chân này với chân VCC qua 1 tụ lọc thông thấp

+ AREF: chân tham chiếu ñiện áp analog của bộ chuyển ñổi A/D

2.2.4 Bộ biến ñổi ADC

- Vi ñiều khiểnATmega16 có một bộ biến ñổi ADC tích hợp trong chip với các ñặc ñiểm:

+ ðộ phân giải 10 bit

+ Sai số tuyến tính: 0.5LSB

+ ðộ chính xác +/-2LSB

+ Thời gian chuyển ñổi: 65-260µs

+ 8 Kênh ñầu vào có thể ñược lựa chọn

+ Có hai chế ñộ chuyển ñổi free running và single conversion

+ Có nguồn báo ngắt khi hoàn thành chuyển ñổi

+ Loại bỏ nhiễu trong chế ñộ ngủ

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 24

Hình 2.3: Sơ ñồ bộ biến ñổi ADC

- 8 ñầu vào của ADC là 8 chân của PORTA và chúng ñược chọn thông qua một MUX

- ðể ñiều khiển hoạt ñộng vào ra dữ liệu của ADC và CPU chúng ta có 3 thanh ghi: ADMUX là thanh ghi ñiều khiển lựa chọn kênh ñầu vào cho ADC, ADCSRA là thanh ghi ñiều khiển và thanh ghi trạng thái của ADC, ADCH và ADCL là 2 thanh ghi dữ liệu

- ADMUX: Multiplexer select register

ðây là thanh ghi ñiều khiển 8 bit

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 25

Hình 2.4: Thanh ghi ADMUX

Với 4 bit ñược ñịnh nghĩa là MUX3, MUX2, MUX1,và MUX0, ứng với các

tổ hợp logic ta có thể chọn kênh ñầu vào Cụ thể:

Bảng 2.1: Tổ hợp logic chọn kênh ñầu vào

Các bit REFS1 và REFS0 dùng ñể chọn giá trị ñiện áp tham khảo cho ADC, như sau:

Bảng 2.2: Chọn chọn giá tri ñiện cho ADC của các bit REFS1 và REFS0

Chú ý: Nếu như ta thay ñổi kênh trong thời ñiểm mà ADC ñang chuyển ñổi thì khi quá trình chuyển ñổi ñã hoàn thành thì kênh vào mới ñược thay ñổi

- ADCSRA-ADC control and status register

ðây là thanh ghi ñiều khiển và lưu trạng thái của ADC

Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦ 26

Hình 2.5: Thanh ghi ựiều khiển và trạng thái ADC

- Thanh ghi dữ liệu ACDH và ADCL: Thanh ghi này chứa dữ liệu chuyển ựổi từ tương tự sang số, ựược sắp xếp như hình dưới ựây

Hình 2.6: Thanh ghi dữ liệu ADC

- Nguyên tắc hoạt ựộng và lập trình ựiều khiển

ADC có nhiệm vụ chuyển ựổi tắn hiệu ựiện áp tương tự thành tắn hiệu số có

ựộ phân giải 10 bit.Với giá trị nhỏ nhất của ựiện áp ựặt ở chân AGND và giá trị cực ựại của ựiện áp tương tự ựược mắc vào chân AREF Tám kênh tương tự ựầu vào ựược chọn lựa thông qua ADMUX và ADMUX này ựược ựiều khiển bởi thanh ghi ADMUX

ADC này có thể hoạt ựộng ựược ở hai chế ựộ đó là chuyển ựổi ựơn: chỉ chuyển ựổi một lần khi có lệnh chuyển ựổi và chế ựộ tự chuyển ựổi (Free running mode) ựây là chế ựộ mà ADC tự ựộng chuyển ựổi khi ựược hoạt ựộng và công việc chuyển ựổi có tắnh tuần hoàn (chỉ cần khởi ựộng một lần)

ADC ựược phép hoạt ựộng nhờ thiết lập bit ADEN Quá trình chuyển ựổi ựược bắt ựầu bằng việc ghi vào bit ADSC mức logic 1 và trong suốt quá trình chuyển ựổi bit này luôn ựược giữ ở mức cao Khi quá trình chuyển ựổi hoàn thành thì bit này ựược xóa bằng phần cứng và cờ AIDF ựược bật lên

Dữ liệu sau khi chuyển ựổi ựược ựưa ra thanh ghi dữ liệu ADCL và ADCH, nhưng chú ý khi ựọc dữ liệu từ hai thanh ghi này thì ựọc ADCL trước rồi mới ựọc

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 27

ADCH Nếu ñọc ADCH trước thì dữ liệu cập nhật có thể ghi ñè lên ADCL (Vi ñiều khiển nghĩ rằng ñã ñọc xong dữ liệu)

ðể ñiều khiển vào ra dữ liệu với ADC, các bước thực hiện như sau:

Bước 1: ðịnh nghĩa các cổng vào cho tín hiệu tương tự Xóa bit tương ứng

với chân ñó trong thanh ghi DDRA Sau ñó loại bỏ ñiện trở treo bằng cách xóa bit tương ứng ở thanh ghi PORTA

Bước 2: Chọn kênh tương tự vào (chọn chân vào cho ADC) thông qua thanh

ghi ADMUX (có thể thay ñổi trong quá trình hoạt ñộng)

Bước 3: Thiết lập các thông số cho ADC

Tốc ñộ chuyển ñổi thông qua xung nhip chuyển ñổi

Chế ñộ chuyển ñổi : ñơn hoặc tự ñộng

Sử dụng ngắt hoặc không

Bước 4: Bắt ñầu chuyển ñổi và ñọc dữ liệu

2.2.5 Bộ truyền nhận dữ liệu USART

- Bộ truyền nhận nối tiếp ñồng bộ và bất ñồng bộ là một thiết truyền thông nối tiếp có các chức năng chính như sau:

+ Hoạt ñộng song công (các thanh ghi truyền và nhận nối tiếp ñộc lập với nhau) + Hoạt ñộng ñồng bộ hoặc bất ñồng bộ

+ Bộ tạo tốc ñộ baud có ñộ chính xác cao

+ Hỗ trợ khung truyền nối tiếp với 5, 6, 7, 8, hoặc 9 bit dữ liệu và 1 hoặc 2 bit stop + Kiểm tra chẵn lẻ

+ Phát hiện tràn dữ liệu

+ Phát hiện lỗi khung

+ Lọc nhiễu, bao gồm phát hiện bit start lỗi và bộ lọc thông thấp số

+ Ngắt khi kết thúc truyền, thanh ghi truyền hết dữ liệu và kết thúc nhận + Chế ñộ truyền thông ña vi xử lý

+ Chế ñộ truyền ñồng bộ tốc ñộ cao

- Sơ ñồ khối của bộ USART như sau:

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 28

Hình 2.7: Sơ ñồ khối bộ USART

- USART bao gồm 3 phần chính: bộ tạo xung clock, bộ truyền và bộ nhận Các thanh ghi ñiều khiển ñược sử dụng chung giữa các phần này

• Tạo xung clock

- Bộ tạo xung clock tạo ra xung ñồng hồ căn bản cho bộ truyền và bộ nhận USART hỗ trợ 4 chế ñộ hoạt ñộng xung clock: bất ñồng bộ, bất ñồng bộ tốc ñộ cao, truyền ñồng bộ master và truyền ñồng bộ slave Sơ ñồ khối của bộ tạo xung clock như sau: