đồ án xử lý tin: Thiết kế hệ thống đo tần số điện lưới, hiển thị lên led 7 thanh và truyền thông về máy tính qua chuẩn RS232.

đồ án xử lý tin: Thiết kế hệ thống đo tần số điện lưới, hiển thị lên led 7 thanh và truyền thông về máy tính qua chuẩn RS232.

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN

ĐỒ ÁN THIẾT BỊ HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN VÀ XỬ LÝ TIN

Đề tài: Thiết kế hệ thống đo tần số điện lưới, hiển thị lên led 7 thanh

và truyền thông về máy tính qua chuẩn RS232.

Mục lục

I – Cơ sở lý thuyết 4

1 Giới thiệu tổng quan về vi điều khiển PIC16F877A 4

1.1 Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A 4

1.2 Sơ đồ chân của PIC16F877A 5

2 Truyền thông RS232 giữa vi điều khiển với máy tính 6

3 Sơ lược về LED 7 thanh 8

2.1 Tổng quát 8

2.2 Kết nối với vi điều khiển 10

4 Chuyển đổi tín hiệu Sine đầu vào của lưới điện thành xung vuông sử dụng LM324 13

3.1 Cấu tạo IC LM324 13

3.2 Ứng dụng 15

3.3 Mạch so sánh điện áp để tạo xung vuông 15

II – Nội dung thiết kế 16

1 Phần mạch chức năng 16

1.1 Khối nguồn 16

1.2 Khối hiển thị 17

1.3 Khối IC điều khiển 18

1.4 Khối truyền thông 18

2 Lập trình và mô phỏng 19

2.1 Phần lập trình 19

2.2 Phần mô phỏng 22

III – Kết luận 26

1.Ưu điểm 26

2.Nhược điểm 26

LỜI NÓI ĐẦUNgày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như

sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao

Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để vận hành và

sử dụng được lại là một điều rất phức tạp Các bộ vi điều khiển theo thời gian cùngvới sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã tiến triển rất nhanh, từ các bộ vi điều khiển 4 bit đơn giản đến các bộ vi điều khiển 32 bit, rồi sau này là 64 bit Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công – nông – lâm – ngư nghiệp cho đến các nhu cầu cần thiết trong hoạt động đời sống hằng ngày

Một trong những ứng dụng thiết thực trong đó là ứng dụng về nhiệt kế điện

tử Với môn học này, em đã quyết định nhận làm đồ án với đề tài Thiết kế hệ

thống đo tần số điện lưới, hiển thị lên led 7 thanh và truyền thông về máy tính qua chuẩn RS232.

Nội dung báo cáo gồm 3 phần:

Em xin chân thành cảm ơn!

I – Cơ sở lý thuyết

1 Giới thiệu tổng quan về vi điều khiển PIC16F877A

Hình: Ảnh thực tế PIC16F877A

PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40

chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường)

1.1 Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A

- 8 K Flash ROM

- 368 Bytes RAM.

- 256 Bytes EEPROM.

- 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập.

- 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2).

- Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiếtkiệm

năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài

- 2 bô CCP( Capture / Compare/ PWM)

- 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào.

- 2 bộ so sánh tương tự (Compartor).

- 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer)

- Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển.

- Một cổng nối tiếp.

- 15 nguồn ngắt.

- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP

- Được chế tạo bằng công nghệ CMOS

- Tần số hoạt động tối đa 20MHz

1.2 Sơ đồ chân của PIC16F877A

Hình: Datasheet của PIC16F877A

Để PIC hoạt động ta cần cấp nguồn cho PIC Ngoài ra có thể thêm vào bộ

dao động thạch anh

Hình: PIC16F877A gắn thạch anh

2 Truyền thông RS232 giữa vi điều khiển với máy tính

- Vấn đề giao tiếp giữa PC và vi điều khiển rất quan trọng trong các ứng dụngđiều khiển, đo lường Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trongnhững kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại vi vớimáy tính Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ,kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị , chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảmbảo dữ liệu là 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s vớimột số thiết bị đặc biệt Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp nghĩa làtrong một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo đường truyền

- Có hai phiên bản RS232 được lưu hành trong thời gian tương đối dài làRS232B và RS232C Nhưng cho đến nay thì phiên bản RS232B cũ thì ítđược dùng còn RS232C hiện vẫn được dùng và tồn tại thường được gọi làtên ngẵn gọn là chuẩn RS232 Các máy tính thường có 1 hoặc 2 cổng nốitiếp theo chuẩn RS232C được gọi là cổng Com Chúng được dùng ghép nốicho chuột, modem, thiết bị đo lường Trên main máy tính có loại 9 chân

hoặc lại 25 chân tùy vào đời máy và main của máy tính Việc thiết kế giaotiếp với cổng RS232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạtđộng là không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp.

Hình: cáp RS232

Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232:

 Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

 Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện

 Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua cổng nốitiếp

Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232

 Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới (logic 0 và 1) là +-12V.Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000 ôm - 7000ôm

 Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ 3V đến 12V.

+- Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps ( ngày nay có thể lớn hơn)

 Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF

 Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 ôm nhưng phải nhỏ hơn 7000 ôm

 Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nốitiếp RS232 không vượt qua 15m

 Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn hay dùng : 9600, 19200, 28800,38400 56600, 115200 bps

3 Sơ lược về LED 7 thanh

2.1 Tổng quát

Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của led 7 đoạn

8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài

để kết nối với mạch điện Nếu led 7 đoạn có Anode(cực +) chung, đầu chung này

được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0.

Nếu led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung, đầu chung này được nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của cácled đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1

Hình: cấu tạo bên trong LED 7 thanh

Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảo dòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led Nếu kết nối với nguồn 5V có thể hạn dòng bằng điện trở 330Ω trước các chân nhận tín hiệuđiều khiển

2.2 Kết nối với vi điều khiển

Ngõ nhận tín hiệu điều khiển của led 7 đoạn có 8 đường, vì vậy có thể dùng 1 Port nào đó của Vi điều khiển để điều khiển led 7 đoạn Như vậy led 7 đoạn nhận một dữ liệu 8 bit từ Vi điều khiển để điều khiển hoạt động sáng tắt của từng led đơn trong nó, dữ liệu được xuất ra điều khiển led 7 đoạn thường được gọi là "mã hiển thị led 7 đoạn" Có hai kiểu mã hiển thị led 7 đoạn: mã dành cho led 7 đoạn cóAnode(cực +) chung và mã dành cho led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung Chẳng hạn, để hiện thị số 1 cần làm cho các led ở vị trí b và c sáng, nếu sử dụng led 7 đoạn có Anode chung thì phải đặt vào hai chân b và c điện áp là 0V(mức 0) các chân còn lại được đặt điện áp là 5V(mức 1), nếu sử dụng led 7 đoạn có Cathode

chung thì điện áp(hay mức logic) hoàn toàn ngược lại, tức là phải đặt vào chân b và

c điện áp là 5V(mức 1) Bảng mã hiển thị led 7 đoạn:

• Phần cứng được kết nối với 1 Port bất kì của Vi điều khiển, để thuận tiện

cho việc xử lí về sau phần cứng nên được kết nối như sau: Px.0 nối với chân a, Px.1 nối với chân b, lần lượt theo thứ tự cho đến Px.7 nối với chân h

• Dữ liệu xuất có dạng nhị phân như sau : hgfedcba

Bảng mã hiển thị led 7 đoạn dành cho led 7 đoạn có Anode chung (các led đơn sáng ở mức 0):

Số hiển thị lên led 7 đoạn mã hiển thị led 7 đoạn

Bảng mã hiển thị led 7 đoạn dành cho led 7 đoạn có Cathode chung (các led đơn sáng ở mức 1):

Số hiển thị lên led 7 đoạn mã hiển thị led 7 đoạn

Hình: cấu tạo ic LM324

LM324 là một IC khuếch đại hoạt động nổi tiếng, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị thương mại và cũng được sử dụng bởi những người yêu thích điện tử, sinh viên kỹ thuật, kỹ sư và thợ điện tử trên khắp thế giới.Nó được sản xuất trong gói DIP 14 chân, 14 SOP và các gói khác.IC chứa bốn op-amp có độ lợi cao độc lập với nhau.Bạn có thể sử dụng một hoặc hai op-amp trong bốn hoặc bạn cũng có thể sử dụng cả bốn cùng một lúc.Đầu vào cung cấp điện cho tất cả bốn op-amp chân 4 (nguồn dương) và chân 11 (nối đất / nguồn âm)

Với điện áp hoạt động tối thiểu chỉ 3VDC và mức tiêu thụ dòng điện tốithiểu chỉ từ 0,7mA đến 0,8ma, IC này có thể được sử dụng ở những nơi cần cómạch công suất tiêu thụ dòng điện thấp và độ lợicao cao, ví dụ như trong các thiết

bị di động và hoạt động bằng pin.và hoạt động bằng pin

Hình: cấu tạo bên trong IC LM324

Sơ đồ chân IC LM324

Chân 1 - đầu ra 1: đầu ra của op-amp thứ nhất của IC

Chân 2 - đầu vào 1 (-) / đầu vào đảo ngược 1: đầu vào đảo ngược của op-amp thứ nhất của IC

Chân 3 - đầu vào 1 (+) / đầu vào không đảo ngược 1: đầu vào không đảo ngược của op-amp thứ nhất của IC

Chân 4 - Vcc / nguồn dương: nguồn dương của IC / nguồn dương của tất cả các op-amp

Chân 5 - đầu vào 1 (-) / đầu vào đảo ngược 2: đầu vào đảo ngược của op-amp thứ hai của IC

Chân 6 - đầu vào 1 (+) / đầu vào không đảo ngược 2: đầu vào không đảo ngược của op-amp thứ hai của IC

Chân 7 - đầu ra 2: đầu ra của op-amp thứ hai của IC

Chân 8 - đầu vào 1 (-) / đầu vào đảo ngược 3: đầu vào đảo ngược của op-amp thứ

ba của IC

Chân 9 - đầu vào 1 (+) / đầu vào không đảo ngược 3: đầu vào không đảo ngược của op-amp thứ ba của IC

Chân 10 - đầu ra 3: đầu ra của op-amp thứ ba của IC

Chân 11 - nối đất (GND): nối đất / nguồn âm của IC / nguồn âm của tất cả các amp

op-Chân 12 - đầu vào 1 (-) / đầu vào đảo ngược 4: đầu vào đảo ngược của op-amp thứ

tư của IC

Chân 13 - đầu vào 1 (+) / đầu vào không đảo ngược 4: đầu vào không đảo ngược của op-amp thứ tư của IC

Chân 14 - đầu ra 4: đầu ra của op-amp thứ tư của IC

3.3 Mạch so sánh điện áp để tạo xung vuông

Mạch so sánh là mạch được sử dụng để so sánh 2 điện áp đầu ra của V1 và V2 Nếu điện áp V1 > V2 thì điện áp ra = 0 Nếu V2 > V1 thì điện áp ra là điện áp cực dương

1.3 Khối IC điều khiển

Khối điều khiển có chức năng xử lí tín hiệu đầu vào.Đưa ra các chân tín hiệu

để hiện thị , cảnh báo ngưỡng cao thấp của lưới điện, ngắt

Hình: khối điều khiển

1.4 Khối truyền thông

- ở đây trong mô phỏng proteus, em dùng khối Virtual terminal, kết nối với 2 chân TX và RX của vđk, 2 chân này cũng kết nối đến cổng COM của máy tính

Hình: khối truyền thông

TRISC = 0;

PORTC.B0 = 1;

PORTC.B1 = 1;

// khoi tao timer1

T1CON.TMR1CS = 0; // dem xung noi

- mạch có thể đo tần số điện lưới ở những giá trị tần số khác nhau.

- Chọn tần số sử dụng cho PIC16F877A là thạch anh 20MHz sau khi qua bộ

chi 4 thì tần số cấp cho Timer1 để đếm là: f_cpu = 5MHz  Tcpu =

1/5MHz (us)  thời gian time1 đếm lớn nhất là T = 65536 * 1/5000000  tần số nhỏ nhất mà vđk có thể đo được là: F = 1/T = 76.29 (làm tròn thành

77 Hz)

- Vì vậy để có thể đo được tần số nhỏ hơn 77Hz cs nghĩa là Timer1 phải đếm

được nhiều hơn số xung ở trường hợp trên Để có thể làm được như vậy thì

ta sử dụng bộ chia trước cho Timer1, chọn tỷ lệ chia 1:2  ta có thể đo được tần số nhỏ hơn 1 nửa tần số ở trường hợp 1

- Lúc này tần số mà vđk đo được sẽ gấp đôi tần số cần đo Vì thế khi tính toán

thì tần số cần đo phải được chia đôi

 Cấu hình cho cổng COM ảo:

- Tốc độ baud: 9600

- 8 bit dữ liệu, không có bit kiểm lỗi

Hình: cấu hình cho cổng COM ảo

 Đo tần số của điện áp xoay chiều 50Hz:

Hình: mô phỏng

Hình: truyền thông lên máy tính

 Đo tần số của điện áp xoay chiều 40Hz:

 Khả năng đáp ứng nhanh với sự thay đổi của đối tượng cần đo

 Mạch hiển thị LED 7 đoạn nên dễ dàng cho người sử dụng theo dõi tần số ở mức khác nhau

 Dễ sử dụng, tiện lợi

2.Nhược điểm

 Còn có sai số về giá trị đo được do sai số linh kiện và những sai số trong khi tính toán thiêt kế mạch nhưng chấp nhận được

 Mạch chưa có chức năng bảo vệ ngắn mạch

 Chưa có các khối nguồn tạo điện áp ra cho IC rõ ràng

 Độ tin cậy của mạch chưa được cao do hạn chế về kinh nghiệm cũng như giới hạn về trình độ chuyên môn còn yếu