Ứng dụng vi điều khiển Atmega16 mô phỏng mạch đo điện áp máy phát điện và dòng điện cấp cho tải trên các ô tô đời mới

Ứng dụng vi điều khiển Atmega16 mô phỏng mạch đo điện áp máy phát điện và dòng điện cấp cho tải trên các ô tô đời mới , có mã code và mạch mô phỏng trên proteus 8.6. đây mà bài làm giúp sinh viên hiểu hơn về Atmega16.

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 đề tài 4

1.2 Sơ đồ khối 4

1.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng proteus 5

1.3.1 Hướng dẫn sử dụng phần mềm protus 6

1.4 Giới thiệu phần mềm lập trình CodevisionAVR 9

1.4.1Hướng dẫn sử dụng phần mềm CodevisionAVR 11

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU CÁC LINK KIỆN CÓ TRONG MẠCH MÔ PHỎNG 16 2.1 Giới thiệu về vi điều khiển Atmega16 16

2.2 Giới thiệu vi tổng quan điều khiển Atmega16 17

2.2.1Mô tả cơ bản về vi điều khiển Atmega16 17

2.2.2Khối hiện thị 24

2.3 Cấu tạo LCD 16x2 (2 dòng 16 kí tự) 25

2.3.1Biến trở 31

2.3.2Mạch mô phỏng trong Proteus 34

2.4 Giới thiệu về ACS 712 35

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN 39

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

Hình 1.1 Sơ đồ khối 4

Hình 2.2 Sơ đồ khối cấu trúc bên trong Atmega 16 19

Hình 2.4 Hình ảnh một LCD 16x2 trong thực tế 25Hình 2.5 Kí hiệu biến trở trong mạch mô phỏng 31

Hình 2.12 Dạng đóng gói và thứ tự các chân của ACS712 36

Hình 2.24 Đồ thị thể hiện sự tuyến tính của Ip với Vout 37

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ ô tô là một ngành khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóngtrên toàn cầu Sự tiến bộ trong thiết kế, vật liệu và kỹ thuật sản xuất đã gópphần tạo ra những chiếc xe ô tô hiện đại với đầy đủ tiện nghi, tính an toàncao, và việc ứng dụng vi điều khiển, vi xử lý đang ngày càng phát triển rộngrãi và thâm nhập ngày càng nhiều vào các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xãhội Với xu hướng tất yếu này cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệchế tạo, người ta đã tạo những vi điều khiển có cấu trúc mạnh hơn, đáp ứngthời 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, sựphát minh ra các linh kiện điện tử đã và đang ngày càng đáp ứng được yêucầu 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

vi điều khiển Atmega16 mô phỏng mạch đo điện áp máy phát điện và dòng điện cấp cho tải trên các ô tô đời mới ”.

Bên cạnh đó chúng 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 bài tập lớn 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 nàycủa nhóm em không thể tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được sự góp

ý, chỉ dẫn từ thầy cô

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

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

1.1 Gi i thi u đ tài ới thiệu đề tài ệu đề tài ề tài

• Sử dụng cảm biến đo dòng ACS712 để đo dòng qua tải

• Sử dụng vi điều khiển Atmega 16 để nhận tín hiệu analog từ cảm biếnACS712 qua phân tích, tính toán, xử lý của vi điều khiển để xuất giá trịdòng điện ra mà hình hiển thị LCD 16x02

• Thiết kế, mô phỏng mạch đo điện áp máy phát điện và dòng điện cấpcho tải trên các ô tô đời mới (dòng điện trong dải từ -5A đến 5A) hiểnthị số ra màn hình

• Viết chương trình (phần mềm) và thiết lập phần cứng để đáp ứng cácyêu cầu trên

1.2 S đ kh i ơ đồ khối ồ khối ối

Hình 1.1 S đ kh i ơ đồ khối ồ khối ối

• Cảm biến nhận tín hiệu dòng điện của tải sau đó trả về giá trị điện áptương ứng, giá trị điện áp này sẽ được gửi đến 1 chân ADC của vi điềukhiển

• Máy phát điện sẽ suất ra 1 giá trị điện áp gửi đến 1 chân ADC của vi

khiển tính toán giá trị Digital đó để đưa ra giá trị dòng điện tưởng ứng.Sau đó gửi tín hiệu tới LCD.

• LCD 16x02 nhận tín hiệu từ Vi điều khiển và cho phép hiển thị kết quả

đo được lên màn hình

1.3 Gi i thi u ph n m m mô ph ng proteus ới thiệu đề tài ệu đề tài ần mềm mô phỏng proteus ề tài ỏng proteus

Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử baogồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điềukhiển 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 cảcác MCU như PIC, 8051, AVR, Motorola

Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch vàARES dùng để vẽ mạch in Proteus là công cụ mô phỏng cho các loại Vi ĐiềuKhiển khá 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 phỏnghoạt động của các hệ vi điều khiển mà không cần thêm phần mềm phụ trợnào 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, chophép ta tùy chọn đường nét, màu sắc mạch điện, cũng như thiết kế theo các

- 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 ngànlinh kiện

- Thiết kế theo cấu trúc (hierachical design)

- Khả năng tự động đánh số linh kiện

1.3.1 H ưới thiệu đề tài ng d n s d ng ph n m m protus ẫn sử dụng phần mềm protus ử dụng phần mềm protus ụng phần mềm protus ần mềm mô phỏng proteus ề tài

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

Hình 1.2 Giao di n proteus ện proteus

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

Hình 1.3 Giao di n ện proteus làm vi c ện proteus

Giao diện gồm có : Vùng làm việc chính ,vùng hiển thị , thanh công cụ,vùnglựa 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 dâycác 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

- 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 tạimột điểm trên wire

- Virtual Instrument mode : Chứa các dụng cụ đo dòng và áp , cácdụng 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 biểutượng Component mode , sau đó nhấn vào chữ P hoặc ấn phím tắt P trênkeyboard thì khung chương trình sẽ hiện ra

Hình 1.4 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 từkhóa Phân sub-category là nhóm con của phần trên Phần manufacturer làtên 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 vàovùng lựa chọn ở ngoài giao diện hình

1.4 Gi i thi u ph n m m l p trình CodevisionAVR ới thiệu đề tài ệu đề tài ần mềm mô phỏng proteus ề tài 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

CodevisionAVR cũng bao gồm bộ tạo chương trình tự độngCodeWizardAVR, nơi cho phép bạn viết một chương trình đơn giản chi trongvài 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

1.4.1 H ưới thiệu đề tài ng d n s d ng ph n m m CodevisionAVR ẫn sử dụng phần mềm protus ử dụng phần mềm protus ụng phần mềm protus ần mềm mô phỏng proteus ề tài

a, Tạo một file mới

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

Hình 1.5 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 biểutượng Save As

Hình 1.6 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

Chú ý: Ở trên cùng có đường dẫn tới file đang hiển thị Để mở lại file, bạn tìmtheo đường dẫn này.

Các thủ tục lưu, sửa, xóa hay đổi tên file khá đơn giản, các bạn có thể tự tìmhiểu

b,Tạo một Project mới

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

Hình 1.7 Tạo một Project

Hình 1.8 Lựa chọn Project

Cửa số Con firm xuất hiện, ở đây bạn chọn OK để xác nhận tạo 1 project mới.Tiếp theo là cửa số CodeWizardAVR dùng để chọn loại chip Ở đây tôi chọnAT90, AtTiny, Atmega, FPSLIC, cho phép sử dụng các loại vi điểu khiểntương ứng Cuối cùng chọn OK để xác nhận.

Hình 1.9 L a ch n chip ựa chọn chip ọn chip

Cửa số CodewizardAVR xuất hiện Trong cửa số này, cho các bạn những tùychọn thiết lập ban đầu cho vi điểu khiển của mình.

Hình 1.10 Khai báo thông sối

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 1.11L u thông s đã khai báo ư ối

Sau khi đã lưu file sẽ xuất hiện cho phép chúng ta lập trình bằng ngôn ngữ Ctrong giao diện lập trình đã có những khai báo đã xác lập sẵn do ta tạo trước

đó

Hình 1.13 Code l p trình ập trình

Sau khi đã lập trình xong ta tiến hành kiểm tra lỗi của chương trình bằng cáchclick vào biểu tượng nếu không có lỗi thì ta tiến hành nạp chip cho mạchtrên Proteus

CH ƯƠNG 1 : NG 2 : GI I THI U CÁC LINK KI N CÓ TRONG ỚI THIỆU CÁC LINK KIỆN CÓ TRONG ỆN ÁP MÁY PHÁT ỆN ÁP MÁY PHÁT

M CH MÔ PH NG ẠCH ĐO ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ỎNG MẠCH ĐO ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT

2.1 Gi i thi u v vi đi u khi n Atmega16 ới thiệu đề tài ệu đề tài ề tài ề tài ển Atmega16

Hình 2.1 Vi Đi u Khi n Atmega16 ều Khiển Atmega16 ển Atmega16

- Vi điều khiển nhận tín hiệu từ Encoder bộ đếm của động cơ, đếm số xung của

Cấu tạo : Gồm những thành phần: lõi CPU, bộ nhớ chương trình (thông thường

là ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), một hoặc vài bộ định thời

và các cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và các môi trường bênngoài - tất cả các khối này được thiết kế trong một vi mạch tích hợp

2.2 Gi i thi u vi t ng quan đi u khi n Atmega16 ới thiệu đề tài ệu đề tài ổng quan điều khiển Atmega16 ề tài 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

2.2.1 Mô t c b n v vi đi u khi n Atmega16 ả cơ bản về vi điều khiển Atmega16 ơ đồ khối ả cơ bản về vi điều khiển Atmega16 ề tài ề tài 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)

- 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

+ 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

+ 0 ÷ 8MHz đối với Atmega16L

+ 0 ÷ 16MHz đối với Atmega16

Hình 2.2 S ơ đồ khối đồ khối kh i ối 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

trợ 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 2.3 S đ chân c a Atmega16 ơ đồ khối ồ khối ủa Atmega16

- Ý nghĩa của các chân:

GND: chân nối mass

VCC: chân điện áp nguồn