Thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời

Chương 2 mô tả một hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời bao gồm các tấm panel pin mặt trời, bình ắc-quy và các linh kiện để thiết kế bộ điều... Đồ án này nghiên cứu th

621 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đềtài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG

THÔNG MINH BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Sinh viên thực hiện: TRẦN THANH TÙNG

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA

NGHỆ AN – 2015

i

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đồ án này, tôi đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ

từ các thầy cô trong Khoa Điện tử Viễn thông, đặc biệt phải kể đến sự tận tâm, nhiệt

tình của TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, Bộ môn KT Viễn Thông, Khoa Điện Tử

Viễn Thông, Trường Đại Học Vinh, giảng viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cô và các thầy cô trong Khoa Điện

tử Viễn thông đã giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này

Cuối cùng, tôi xin kính chúc quý thầy, cô sức khỏe và thành công nhiều hơn nữa trong sự nghiệp giáo dục cao quý

Nghệ An, tháng 01 năm 2015

Sinh viên

Trần Thanh Tùng

ii

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thế kỷ XXI năng lượng là vấn đề hàng đầu mà thế giới phải giải quyết nhất là trong bối cảnh nguồn dầu mỏ bị cạn kiệt, giá thành ngày càng lên cao, nguồn cung cấp không ổn định Nguồn than đá cũng có hạn và gây ô nhiễm môi trường Vì vậy việc tìm kiếm nguồn năng lượng khác mà có khả năng tái tạo đang đặt ra bài toán giải quyết của các nhà khoa học trong mọi lĩnh vực Những nguồn năng lượng triển vọng như năng lượng hạt nhân, nhiệt hạch, năng lượng sinh học, năng lượng gió, năng lượng mặt trời… So với các nguồn năng lượng khác thi nguồn năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, thiết bị đơn giản là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn… Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông thường để cấp nhiệt và điện

Tuy nhiên việc đầu tư cho xây dựng hệ thống điện mặt trời hiện nay còn gặp rất nhiều thách thức và trở ngại Vấn đề đầu tiên là việc chi phí đầu tư ban đầu rất lớn

so với điều kiện kinh tế ở Việt Nam Vì vậy nhiệm vụ đặt ra là thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh với chi phí thấp để phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta hiện nay

Xuất phát từ những ưu điểm của năng lượng mặt trời và nhiệm vụ đặt ra ở trên

tôi thực hiện đồ án với đề tài nghiên cứu của mình là “Thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời” Trong đồ án này, tôi giới thiệu chi tiết về

hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời và đi vào thiết kế một hệ thống chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời Bố cục của đồ án gồm có ba chương Chương 1 giới thiệu một cách tổng quan về hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời, mục tiêu của đồ án, phạm vi của đồ án

Chương 2 mô tả một hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời bao gồm các tấm panel pin mặt trời, bình ắc-quy và các linh kiện để thiết kế bộ điều

Phần kết luận là những kết quả chính mà đồ án đã đạt được cũng như mở ra những hướng phát triển mới để hoàn thiện hơn nữa đề tài này trong thời gian tới

iv

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Hệ thống điện mặt trời ngày càng được sử dụng phổ biến trên thế giới, đặc biệt

là để chiếu sáng công cộng Đồ án này nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống chiếu sáng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời có khả năng điều khiển đèn và sạc ắc-quy trong thời gian ban ngày bằng việc sử dụng nguồn cung cấp là năng lượng mặt trời

Hệ thống dùng vi điều khiển PIC16F877A để điều khiển sạc cho ắc quy và điều khiển đèn Hệ thống sử dụng đèn LED làm nguồn chiếu sáng bởi vì đèn LED mang tính hiệu quả, tuổi thọ, chi phí, và tiêu thụ điện năng Hệ thống sử dụng cảm biến chuyển động TM-212 dùng để phát hiện sự có mặt người đi qua

ABSTRACT

Solar energy system has become more and more popularly all over the world, specially, lighting in the public places This thesis is about developing and fabricating the circuit that can charge the lead acid battery during day time by using solar energy as the source The process, like most other photovoltaic systems theses days, would require the use of a microcontroller, namely PIC16F877A, to control many of the circuit functionalities including switching, controlling driver circuit, and integrating sensor output etc The preferred lighting source is LED considering its photometrics such as efficacy, life span, cost, efficiency and power consumption Moving sensor TM-212 used to discover the existence of user

v

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN i

LỜI NÓI ĐẦU ii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Thực trạng 1

1.2 Tổng quan về đồ án 1

1.3 Mục tiêu đồ án 2

1.4 Phạm vi của dự án 3

1.5 Kết luận chương 3

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 4

2.1 Giới thiệu 4

2.2 Tấm Pin mặt trời 5

2.2.1 Khái niệm 5

2.2.2 Cấu tạo tấm pin mặt trời 5

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời 6

2.2.4 Các thống số đặc trưng 7

2.2.5 Các thế hệ pin mặt trời 7

2.2.6 Ứng dụng pin mặt trời 8

2.3 Ắc-quy 9

2.3.1 Giới thiệu chung về ắc-quy 9

2.3.2 Các thông số cơ bản của ắc-quy 11

2.3.3 Tiêu chuẩn ắc-quy TCVN: 4472:93 15

2.4 Cảm biến chuyển động 17

2.5 Chíp thời gian thực DS1307 18

2.5.1 Ghép nối DS1307 với vi điều khiển 19

2.5.2 Tổ chức thanh ghi trong DS1307 19

vi

2.6 Vi điều khiển PIC16F877A 22

2.6.1 Khái niệm 22

2.6.2 Vi điều khiển PIC16F877A 24

2.6.3 Cấu trúc tổng quát PIC16F877A 26

2.6.4 Bộ Nhớ PIC 16F877A 27

2.6.5 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A 30

2.6.6 Các bộ định thời 32

2.6.7 Ngắt 35

2.6.8 Các thanh ghi đặc biệt 36

2.6.9 ADC 38

2.6.10 Stack 40

2.7 Sử dụng đèn LED trong hệ thống chiếu sáng 40

2.8 Kết luận chương 48

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG LED BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 49

3.1 Giới thiệu 49

3.2 Thiết kế mô hình hệ thống chiếu sáng LED dùng năng lượng mặt trời 49

3.2.1 Tấm pin mặt trời 52

3.2.2 Bình ắc-quy 54

3.2.3 Bộ điều khiển sạc 55

3.2.4 Mạch điều khiển đèn LED 61

3.2.5 Đèn LED siêu sáng 67

3.3 Thiết kế mô hình cột đèn chiếu sáng LED dùng năng lượng mặt trời 67

3.4 Kết luận chương 70

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 73

1 Chương trình đối với mạch nạp ắc-quy 73

2 Chương trình đối với mạch điều khiển LED 75

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 2.1 Solar Cell 5

Hình 2.2 Cấu tạo pin mặt trời 6

Hình 2.3 Mô tả hoạt động chuyển tiếp P-N 6

Hình 2.4 Cấu tạo ắc-quy 9

Hình 2.5 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch γ tới điện trở và sức điện động 10

Hình 2.6 Biểu đồ dung lượng phóng 12

Hình 2.7 Đặc tính phóng của ắc-quy 13

Hình 2.8 Đặc tuyến nạp 14

Hình 2.9 Bán kính và góc quét của cảm biến chuyển động 18

Hình 2.10 DS1307 18

Hình 2.11 Giao tiếp DS1307 với PIC 19

Hình 2.12 Vi điều khiển PIC16F877A 24

Hình 2.13 Sơ đồ chân vđk PIC16F877A 25

Hình 2.14 Sơ đồ khối PIC16F877A 26

Hình 2.15 Sơ đồ bộ nhớ chương trình 28

Hình 2.16 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu 29

Hình 2.17 Sơ đồ khối của time0 32

Hình 2.18 Sơ đồ khối của time1 33

Hình 2.19 Sơ đồ khối của time2 34

Hình 2.20 Sơ đồ các ngắt trong PIC16F877A 36

Hình 2.21 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC 39

Hình 2.22 Các các lưu kết quả chuyển đổi AD 39

Hình 2.23 LED siêu sáng 10W 48

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống chiếu sáng LED 49

Hình 3.2 Ba loại tấm pin mặt trời (a) Đơn tinh thể, (b) Đa tinh thể, (c) Vô định hình 53

Hình 3.3 Các loại ắc-quy 54

Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch nạp 58

viii

Hình 3.5 Mạch điều khiển nạp ắc-quy từ nguồn năng lượng mặt trời 59

Hình 3.6 Sơ đồ mạch in 59

Hình 3.7 Sạc ở giai đoạn một 59

Hình 3.8 Sạc ở giai đoạn hai 60

Hình 3.9 Sạc ở giai đoạn ba 60

Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán của chế độ chuyển động 62

Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán chế độ thời gian 64

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán kết hợp hai chế độ 65

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiền đèn LED theo 2 chế độ 66

Hình 3.14 Sơ đồ mạch in 66

Hình 3.15 Sơ đồ lắp ráp linh kiện của mạch điều khiển đèn 67

Hình 3.16 Cột đèn chiếu sáng 68

Hình 3.17 Mặt trước và mặt sau của mô hình thí nghiệm 69

Hình 3.18 Khối điều khiển 69

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1 Quá trình chuyển đổi trong ắc-quy 11

Bảng 2.2 Thông số ắc-quy 15

Bảng 2.3 Thông số yêu cầu của ắc-quy 16

Bảng 2.4 Địa chỉ và thanh ghi thời gian thực 20

Bảng 2.5 Bảng chọn bank thanh ghi 30

Bảng 2.6 Bảng dự báo chỉ tiêu kỹ thuật mà đèn dùng LED sẽ đạt vào thập kỷ tới 44

Bảng 2.7 Bảng thể hiện mức tiết kiệm chi phí của người tiêu dung khi thay bóng nóng bằng bóng LED 45

Bảng 2.8 Bảng so sánh các loại đèn về hiệu quả kinh tế của đèn sợi đốt, đèn LED bóng tròn và đèn compact 46

Bảng 3.1 Khảo sát đối với mạch sạc ắc-quy 61

x

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

sang số

Lamp

Đèn huỳnh quang Compact

số nhị phân

Metal-Oxide-Semiconductor

Chất bán dẫn oxit metal

bổ sung

Computer

Máy tính thông minh khả trình

tính

sự phát triển bền vững Nguồn năng lượng tái tạo được xem như là một giải pháp để thay thế các nguồn năng lượng hiện nay Hiện nay một số nguồn năng lượng tái tạo

đã được sử dụng thay thế như năng lượng mặt trời và năng lượng gió Với xu hướng phát triển bền vững, năng lượng xanh với mức giá phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta đã và đang được Đảng và nhà nước ủng hộ triển khai nghiên cứu và phát triển

Năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên miễn phí với nguồn cung không giới hạn Trong hệ thống cung cấp điện hiện nay ở Việt Nam chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện Tuy nhiên do sự ngăn dòng chảy tại đầu nguồn và sự thay đổi thất thường của lượng mưa, và sự cạn kiệt của khí đốt sẽ khó để đáp ứng được nguồn năng lượng ổn định và lâu dài Do vậy, việc sử dụng khai thác năng lượng mặt trời

để cung cấp đủ cho nhu cầu sử dụng điện trong tương lai là một giải pháp cần được xem xét

1.2 Tổng quan về đồ án

Đồ án ngiên cứu về thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời Trong hệ thống chiếu sáng thông minh, tôi thiết kế một mạch điều khiển sạc cho ắc-quy và một mạch điều khiển đèn Trong đó, mạch điều khiển sạc dùng để sạc cho ắc quy và bảo vệ ắc quy trong quá trình sạc bằng năng lượng mặt trời Mạch điều khiển sạc được thiết kế dựa vào một cảm biến có thể nhận biết giữa ngày và đêm (quang trở LDR), trong thời gian ban ngày khi có ánh nắng mặt trời thì mạch điều khiển sạc thực hiện chức năng nạp điện cho ắc-quy khi điện áp trong ắc-quy được tiêu thụ hết hay ngừng sạc cho ắc-quy khi điện áp của ắc-quy đã được sạc đầy Nguyên lý hoạt động của mạch sạc ắc-quy là kiểm tra điện áp của ắc-quy Tại thời điểm đó có đủ điện áp trong bình không? Nếu điện áp trong bình ắc quy không đủ điện thì dùng vi điều khiển PIC16F877A để điều khiển độ rộng xung (PWM) ra cho

2

phù với mức điện áp mà vi điều khiển mới kiểm tra để nâng cao tuổi thọ cho quy Còn mạch điều khiển LED được dùng để điều khiển cường độ chiếu sáng dựa vào người sử dụng, nếu có người sử dụng thì đèn LED sẽ sáng với công suất 100%, còn nếu không có người sử dụng thì đèn LED sẽ sáng với công suất 50% Mạch điều khiển LED được thiết kế dựa vào IC thời gian thực DS1307 và cảm biến chuyển động TM-212 Trong đó, IC thời gian thực được dùng xác định thời gian ngày và đêm và cảm biến chuyển động dùng để xác định theo nhu cầu sử dụng Mạch điều khiển đèn LED hoạt động cũng tương tự như mạch điều khiển sạc, mạch điều khiển đèn LED bằng bằng cách điều khiển độ rông xung (PWM) Khi nhận được tín hiệu từ cảm biến TM-212 là có người sử dụng thì vi điều khiển PIC16F877A sẽ điều khiển độ rộng xung là 100% còn không nhận được tín hiệu từ cảm biến TM-212 không có người sử dụng thì PIC sẽ điều khiển độ rộng xung là 50% Đối với mạch điều khiển đèn LED thì được điều khiển theo hai chế độ: một là điều khiển hoàn toàn dựa vào thời gian thực; hai là điều khiền đèn LED có sự kết hợp giữa thời gian thực và cảm biến chuyển động Xác định một góc nghiêng tối ưu làm sao cho tấm pin mặt trời có thể thu nhận được năng lượng mặt trời hiệu quả cao suốt cả năm để sạc ắc-quy một cách tốt nhất Quá trình điều khiển sạc ắc-quy và quá trình điều khiển đèn LED được lặp đi lặp lại cho các ngày trong năm

ắc-1.3 Mục tiêu đồ án

Mục tiêu của đồ án là phát triển một hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời và dùng để tiết kiệm năng lượng đèn chiếu sáng công cộng (được sử dụng năng lượng tái tạo và đang hoạt động ở cường độ chiếu sáng lớn) Đèn chiếu sáng công cộng tiêu thụ một phần cho số lượng lớn về sự tiêu thụ điện của thành phố Hệ thống chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời thay thế cho việc cung cấp cho

hệ thống chiếu sáng công cộng thông thường (sử dụng năng lượng hóa thạch) và hệ thống chiếu sáng thông minh sẽ điều khiển chúng để có thể giảm chi phí và tiết kiệm năng lượng Nếu đường phố vắng vẻ hoặc không có ai tham gia hoạt động dưới hệ thống thì đèn đường chỉ cần cho hệ thống chiếu sáng hoạt động ở cường độ chiếu sáng ở ngưỡng thấp Đồ án này nhằm hạn chế số lượng lớn năng lượng bị lãng phí mà không có mục đích Trong điều kiện như vậy hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động và cấp nguồn điện phù hợp cho đèn LED để có một cường độ sáng

độ chiếu sáng của đèn LED Mỗi đèn đường được trang bị một con cảm biến

TM-212, cảm biến chuyển động nhận được thông tin có người chuyển động hay không qua sóng hồng ngoại được phản chiếu qua gương FRENER và gửi tín hiệu điện áp cho vi điều khiển PIC16F877A Dựa vào ánh nắng để lắp đặt góc nghiêng của tấm pin mặt trời để đảm bảo việc thu năng lượng mặt trời tối đa như để cấp đủ điện cho đèn chiếu sáng công cộng trong cả bốn mùa Hệ thống có thể cấp năng lượng cho đèn đường tối đa ba ngày mà không cần nhận năng lượng mặt trời

1.5 Kết luận chương

Chương này đã trình bày một cách tổng quan nhất về những vấn đề cơ bản nhất

về thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời bao gồm mục tiêu, nguyên lý hoạt động và phạm vi của hệ thống chiếu sáng thông minh

Có nhiều cách khác nhau để các năng lượng điện tồn tại, nhưng sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời để sản xuất điện có nhất định lợi ích riêng nó được giải thích ngắn gọn dưới đây :

+ Nhiên liệu miễn phí: nhiên liệu chính cho các hệ thống năng lượng mặt trời là ánh sáng của mặt trời, trong đó có sẵn tất cả xung quanh trên thế giới như là một tài nguyên miễn phí Các tác động môi trường là rất nhỏ vì không có sản phẩm độc hại; + Sản xuất điện độc lập: trong quá trình này, điện được tạo ra một cách độc lập

mà không sử dụng các nhiên liệu hóa thạch và đường dây phân phối điện thông thường;

+ Sự bảo trì: vì không có các bộ phận quay như động cơ của một hệ thống quang điện nên việc bảo trì là rất đơn giản;

+ Có lợi ích trong việc xác định vị trí: bộ phận cấp điện thông thường cần xem xét nhiều yếu tố trước khi thiết lập các trung tâm của họ, chẳng hạn như cung cấp nhiên liệu, thông tin liên lạc, xây dựng đường dây điện v.v… Nhưng để lắp đặt hệ thống quang điện, các vị trí đã chọn chỉ cần phải có nguồn cung cấp dồi dào của ánh nắng mặt trời;

+ Dễ dàng phát triển: theo yêu cầu, năng lực của hệ thống quang điện có thể được tăng thêm các module năng lương mặt trời Điều này là rất đơn giản và ít tốn

5

kém hơn so với hệ thống điện thông thường;

+ Độ tin cậy tối đa: khi có ánh sáng mặt trời hệ thống sẽ tiếp tục cung cấp điện không bị gián đoạn cho nên nguy cơ cắt điện là rất thấp

1.2 Tấm Pin mặt trời

1.2.1 Khái niệm

Pin mặt trời (Solar cells) hay Photovoltaic là linh kiện quang - điện chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện trong [1] + Năm 1839 Ông Alexander Bequerel phát hiện ra hiệu ứng quang điện;

+ Năm 1883, Charles Fitts chế tạo pin mặt trời từ các tấm Selenium, đạt hiệu suất dưới 1%;

+ Năm 1941, Rusell Ohl là người đầu tiên chế tạo pin mặt trời giống như các pin đang được sử dụng ngày nay;

+ Năm 1954, các nhà khoa học (Calvin Fuller, Gerald Pearson, Daryl Chapin) tại phòng thí nghiệm Beel chế tạo thành công pin mặt trời Silicon chuyển tiếp P-N đạt hiệu suất tới 6%

Lớp đáy

Lớp điện cực dưới

Hình 2.2 Cấu tạo pin mặt trời

1.2.3 Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời

Nguyên lý hoạt động được miêu tả như hình vẽ sau:

- - -

-+ + + +

Điện trở Tiếp xúc kim loại

7

điện tử - lỗ trống và trở thành các hạt tải tự do Từ đó điện tử di chuyển về phía cực của bán dẫn loại n, lỗ trống di chuyển về phía cực của bán dẫn loại p; Nếu bên ngoài nối với bán dẫn loại N và bán dẫn loại P bằng dây dẫn thì xuất hiện dòng điện; Điện tử đi qua khỏi các điện cực (bán dẫn loại N) qua dây dẫn và đi tới điện cực (bán dẫn loại P để tái hợp với lỗ trống)

1.2.4 Các thống số đặc trưng

Các thông số đặc trưng của tấm pin mặt trời được thể hiện như sau [1], [3]:

thông lượng ᶲ , khi đó R = ∞, I = 0;

việc ngắn mạch ngoài (V=0);

+ Công suất của pin mặt trời được xác định theo công thức:

Tại giá trị (IMP, VMP) khi có công suất cực đại (Pmax)

+ Hệ số lấp đầy (Fill Factor) là tỷ số giữa công suất cực đại Pmax với tích số

V0C.I0C;

FF = 𝑃𝑚𝑎𝑥

𝐽𝑆𝐶.𝑉𝑂𝐶 = 𝐽𝑀𝑃.𝑉𝑀𝑃

𝐽𝑆𝐶.𝑉𝑂𝐶 (2.2) FF≈ 𝑣𝑂𝐶 −ln(𝑣 𝑂𝐶 +0.72)

𝑛.𝐾𝑏.𝑇 (2.3)

+ Hiệu suất hoạt động (ƞ) là tỷ lệ phần trăm giữa giữa năng lượng điện tối đa được tạo ra so với năng lượng ánh sáng chiếu tới;

ƞ = 𝐽𝑀𝑃 𝑉 𝑀𝑃

𝑃𝐼𝑁 = 𝑉𝑂𝐶.𝐽𝑆𝐶.𝐹𝐹

𝑃𝐼𝑁 (2.4) + Các yếu tố giới hạn lên hiệu suất:

+ Pin mặt trời dùng hữu cơ (polymer);

+ Pin mặt trời quang điện hóa;

+ Pin mặt trời lai vô cơ- hữu cơ

1.2.6 Ứng dụng pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời (NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời (PMT) có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biết là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là các nước phát triển Ngày nay ứng dụng NLMT để chạy đua để thay thế nguồn năng lượng truyền thống

Tuy nhiên giá thánh thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng tầm 5-10USD/Wp, nên ở những nước đang phát triển, pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho vùng sâu vùng

xa, và vùng hải đảo như hoàng sa, trường sa, những nơi đường dây điện quốc gia chưa có [3]

9

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước và một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau để phục vụ các nhu cầu sử dụng khác nhau Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời đã được ứng dụng trong các sản xuất điện để sinh hoạt hằng ngày và có thể dùng pin mặt trời cung cấp điện để thắp sáng nơi công cộng hoặc đèn đường…

1.3 Ắc-quy

1.3.1 Giới thiệu chung về ắc-quy

Ắc-quy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch Nó tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng [4] Dòng điện trong bình ắc-quy tạo ra do phản ứng điện phân giữa vật liệu trên bản cực và dung dịch

axit và ắc-quy kiềm

Bình ắc-quy được làm từ nhiều tế bào ắc-quy (cell), ta gọi đó là những ắc-quy đơn, được đặt trong 1 vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng [4]

Mỗi ắc-quy đơn có điện thế khoảng 2V Ắc-quy 12V có 6 ắc-quy đơn mắc nối tiếp Muốn có điện thế cao hơn ta mắc nối tiếp nhiều ắc-quy lại với nhau

Hình 2.4 Cấu tạo ắc-quyTrên nắp mỗi ắc-quy đơn có đặt nắp thông hơi, với mục đích:

+ Đậy kín ắc-quy, khi cần thêm nước thì mở ra thêm nước vào

+ Khi nạp thì người ta mở nắp này để chất khí hình thành có khí thoát ra

Dung dịch điện phân là H2SO4, nồng độ dung dịch có ảnh hưởng lớn đến sức điện động của ắc-quy, thể hiện trong sơ đồ sau:

10

Điện trở dung dịch điện phân

00,5 1

Eaq

Hình 2.5 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch 𝛄 tới điện trở và sức điện động Thông thường nồng độ H2SO4: 𝛾 = 1.1 – 1.3 g/cm3

Quá trình hóa học xảy ra trong ắc-quy axit

Trong ắc-quy thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là quá trình nạp và phóng điện:

+ Khi nạp nhờ nguồn điện ở mạch ngoài mà các eletron chuyển động từ bản cực

âm đến bản cực dương, đây chính là dòng điện nạp vào;

+ Khi phóng điện, dưới tác động của sức điện động ắc-quy, các electron sẽ chuyển động theo hướng ngược lại;

11

Tổng quát quá trình chuyển đổi trong ắc-quy:

Bảng 2.1 Quá trình chuyển đổi trong ắc-quy

4 bị hấp thụ để tạo thành muối sunfat, còn tạo ra nước, do đó nồng độ dung dịch giảm đi Khi nạp điện thì ngược lại, nhờ hấp thụ nước

và tái sinh ra axít H

2SO

dịch điện phân khi phóng và nạp là một trong những dấu hiệu xác định trạng thái tích điện của ắc-quy

1.3.2 Các thông số cơ bản của ắc-quy

a Sức điện động

Sức điện động phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch điện phân:

E0 = 0.85 + 𝛾 (V) (2.5)

Trong quá trình nạp điện sức điện động En được tính:

En = Un + In.raq (2.7)

12

Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng phóng và dòng điện sinh ra được:

13

d Đặc tính phóng của ắc-quy

Đặc tính phóng của ắc-quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc-quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không đổi

1,75 Khoảng nghỉ 1,55

0,51,01,52,0

tp(h)5

độ dung dịch điện phân giảm dần Tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thì không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định

Từ thời điểm tgh trở đi độ dốc các đồ thị thay đổi đột ngột Nếu tiếp tục cho quy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của ắc-quy sẽ giảm rất nhanh; mặt

tan (biến đổi hóa học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ắc-quy sau này Như vậy

mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp ắc-quy, nồng

độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảngnghỉ của ắc-quy sau khi phóng

e Đặc tính nạp

14

Đặc tính nạp của ắc-quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc-quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dùng điện nạp không đổi [5]

Khoảng nghỉ

1,95 2,4

12

t

U,E(V)I(A)

ts

10%C20

Cn=In.tn

Hình 2.8 Đặc tuyến nạp Trong khoảng thời gian nạp từ t = 0 đến t = ts, sức điện động, điện áp, nồng độ dungdịch điện phân tăng dần Tới thời điểm ts, trên bề mặt bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn gọi là hiện tượng sôi), lúc này điện thế giữa các cực ắc-quy đơn tăng đến 2.4V Nếu vẫn tiếp tục nạp, giá trị này nhanh chóng tăng tới 2.7V và vẫn giữ nguyên Thời gian này gọi là thời gian nạp no, có tác dụng làm cho các chất tác dụng ở sâu trong lòng bản cực được biến đổi hoàn toàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc-quy Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc-quy kéo dài từ 2h - 3h, trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các cực của ắc-quy và nồng

độ dung dịch điện phân không thay đổi Như vậy dung lượng thu được của ắc-quy khi phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc-quy Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc-quy, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định.Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc-quy sau khi nạp.Trị

số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc-quy Dòng

f Những dấu hiệu cho thấy ắc-quy đã đầy điện

15

Những dấu hiệu nhận biết là ắc-quy đã đầy điện [6]:

+ Hiện tượng sủi bọt rất mạnh xung quang cực âm và cực dương

+ Tỷ trọng chất điện phân so với nước đạt 1.12 – 1.22 đối với ắc-quy cố định và 1.25 – 1.30 đối với ắc-quy di động

+ Hiệu điện thế đạt 2.7 – 2.8 và ổn định trong suốt 3h

+ Dung lượng nạp vào gấp 1.2 – 1.3 lần dung lượng định mức

1.3.3 Tiêu chuẩn ắc-quy TCVN: 4472:93

Tiêu chuẩn này áp dụng cho các loại ắc-quy chì dùng cho mục đích khởi động

có điện áp danh định 6V và 12V [7]:

+ Bình ắc-quy phải đảm bảo gắn kín, không thoát hơi ở quanh chân đầu điện cực và quanh nắp, áp suất chân không trong bình 21 ± 1.33 Kpa (160 ± 10 mmHg); + Khi đặt nghiêng bình ắc-quy một góc 450 so với vị trí làm việc, điện dịch không được chảy ra ngoài;

+ Nhựa gắn kín nắp bình ắc-quy phải đồng nhất, chịu được axit, không thấm nước và chịu được sự thay đổi nhiệt độ từ -300C ÷ 600C;

+ Khả năng khởi động ban đầu: (chỉ áp dụng cho ắc-quy tích điện khô) trong vòng 60 ngày kể từ ngày sản xuất, ắc-quy phải đảm bảo được thông sốtheo bảng 2.2;

Ip (A)

Thời gian tối thiểu kết thúc khởi động (phút)

+ Khả năng phóng điện khởi động của ắc-quy: Khả năng phóng điện khởi động

(A) Chỉ tiêu này để áp dụng cho ắc-quy không thuộc loại tích điện khô Các thông

số của ăc-quy phải đạt như theo bảng 2.3;

Bảng 2.3 Thông số yêu cầu của ắc-quy

Điện áp đầu ra (V) Sau 5-7s từ lúc bắt đầu

Loại Bình 6V

Loại bình 12V

Loại bình 6V

Loại bình 12V

+ Khả năng nhận nạp điện: được xác định bằng dòng điện nạp Bình ắc-quy mới chưa qua sữ dụng sau khi nạp no, phóng điện 5 giờ với Ip = 0.1C20 (A), sau đó nạp với điện áp 7.2V (đối với bình 6V) và 14.4V (đối với bình 12V), trong 10 phút,

+ Khả năng chịu được nạp quá áp của ắc-quy: bình ắc-quy phải chịu được nạp

liên tục Sau mỗi chu kì nạp 100 giờ để hở mạch 68 giờ và phóng kiểm tra bằng

bảng 2.3 thời gian phải đạt trên 4 phút;

+ Tổn thất dung lượng (tự phóng) của bình ắc-quy: tổn thất dung lượng so với dung lượng danh định sau 14 ngày đêm không giảm quá 14%;

+ Tuổi thọ của ăc-quy (tính theo chu kỳ phóng nạp điện): Tuổi thọ ắc-quy phải đạt thấp nhất 240 chu kỳ theo phép thử quy định trong tiêu chuẩn này

17

+ Ghi nhãn: tên mỗi bình ắc-quy phải ghi rõ và bền:

 Tên nhà máy sản xuất ;

 Dấu hiệu hàng hóa sản xuất;

 Ký hiệu đầu cực: cực dương "+" và cực âm " - ";

 Thời gian sản xuất;

1.4 Cảm biến chuyển động

TM-212 là module cảm biến chuyển động pyroelectricity, được phát triển để phát hiện cơ thể người Một cảm biến PIR kết hợp với ống kính Fresnel được gắn trên một PCB kích thước nhỏ gọn cùng với một IC Analog và các linh kiện khác để tạo thành một Module hoàn chỉnh, đầu ra mức cao và độ rộng xung có thể thay đổi được

Các tính năng và thông số kỹ thuật [8]:

+ Kích thước nhỏ gọn: 28 x 28 mm;

+ Đầu ra: socket 4-pin gồm VCC(+), OUT, GND(-), CDS;

+ Nguồn cung cấp: 5V-20V DC ( có thể thiết kế từ 3V – 24V);

+ Điện áp đầu ra: mức tín hiệu High/Low 3.3V;

+ Khoảng cách quét: Chính tâm 5-7m, ở hai biên 3-4m

Góc quét của cảm biến chuyển động TM-212 thể hiện như hình sau:

và DIP có 8 chân như hình sau:

DS1307

8 1

2 3

6 7

Vcc SQW/OUT SCL

SDA GND

VBAT

X1 X2

Hình 2.10 DS1307 Các chân của DS1307 được mô tả như sau [9], [10]:

+ X1 và X2 là đầu vào dao động cho DS1307 Cần dao động thạch anh 32.768Khz;

+ Vbat là nguồn nuôi cho chip Nguồn này từ ( 2V- 3.5V) ta lấy pin có nguồn 3V Đây là nguồn cho chip hoạt động liên tục khi không có nguồn Vcc mà DS1307 vẫn hoạt động theo thời gian;

19

+ Vcc là nguồn cho giao tiếp I2C Điện áp cung cấp là 5V chuẩn và được dùng

thường nhưng mà không ghi và đọc được dữ liệu;

+ GND là nguồn Mass chung cho cả Vcc và Vbat;

+ SQW/OUT là một ngõ ra phụ tạo xung dao động (xung vuông) Chân này không ảnh hưởng đến thời gian thực nên chúng ta không sử dụng chân này trong thời gian thực và bỏ trống chân này;

+ SCL và SDA là hai bus dữ liệu của DS1307 Thông tin truyền và ghi đều được truyền qua 2 đường truyền này theo chuẩn I2C

1.5.1 Ghép nối DS1307 với vi điều khiển

Do DS1307 giao tiếp với chuẩn I2C nên việc ghép nối nó với vi điều khiển khá

là đơn giản và theo datasheet [9] nên ta có sơ đồ sau:

12

6

38

57

DS1307

BUS SCL TO VXL

BUS SDA TO VXL C1

C2

R1

R2

5V3V 5V

5V

32.768Khz

Hình 2.11 Giao tiếp DS1307 với PICDS1307 nó chỉ giao tiếp với vi điều khiển với hai đường truyền SCL và SDA nên do đó trên vi xử lý cần phải xác định chân nào trên vi xử lý nó có SCL và SDA

để nối với DS1307 cái này đối với dòng PIC, AVR còn với dòng Psoc nó có sự khác tùy theo kiểu Fimware hay harware mà các chân SDA và SCL nó sẽ nằm ở chân nào cái được thiết lập trong phần mền

1.5.2 Tổ chức thanh ghi trong DS1307

20

Cấu tạo bên trong của DS1307 bao gồm mạch nguồn, dao động, logic và con trỏ, thanh ghi thực hiện việc ghi đọc Do trong các bài toán chúng ta thường sử dụng DS1307 cho đồng hồ thời gian thực nên do đó chúng ta chỉ quan tâm đến việc ghi đọc các thanh ghi cần thiết (sec, min, hour…) thông qua chuẩn truyền thông I2C còn các thanh ghi khác thì chúng ta có thể tìm hiểu kỹ trong datasheet Vì các thanh ghi đó được coi như là RAM lưu trữ Nên do đó tôi chỉ giới thiệu các thanh ghi có chức năng thời gian thực phục vụ cho bài toán thời gian

Trong bộ nhớ của DS1307 có tất cả 64 thanh ghi địa chỉ từ 0 đến 63 và được bắt đầu từ 0x00 đến 0x3F nhưng trong đó chỉ có 8 thanh ghi đầu là thanh ghi thời gian thực nên chúng ta sẽ đi sâu vào 8 thanh ghi (chức năng và địa chỉ thanh ghi thời gian thực này) Nhìn vào bảng 2.4 thanh ghi trong [9] ta sẽ thấy như sau :

Bảng 2.4 Địa chỉ và thanh ghi thời gian thực

MINUTES HOURS DAY DATE MONTH YEAR 07H

Nhìn vào bảng 2.4 trên chúng ta thấy các thanh ghi thời gian thực nó được sắp sếp theo thứ tự: giây, phút, giờ, thứ, ngày, tháng, năm và bắt đầu từ thanh ghi giây (0x00) và kết thúc bằng thanh ghi năm (0x06) Riêng thanh ghi Control dùng để điều khiển ngõ ra của chân SQW/OUT nên trong thực tế nên không mấy ai sử dụng thanh ghi này trong thời gian thực nên chúng ta bỏ qua thanh ghi này

Chúng ta thấy các thanh ghi được mã hóa theo bit Mỗi bit trong thanh ghi đều

có chức năng riêng và được trình bay như sau:

+ Thanh ghi giây (0x00): đây là thanh ghi giây của DS1307 Nhìn trên bảng

sử dụng lệnh end với 0x7F);

+ Thanh ghi phút (0x01): đây là thanh ghi phút của DS1307 Cũng nhìn trên bảng thanh ghi này được tổ chức như thanh ghi giây Cũng là 3 bit thấp dùng để mã hóa BCD chữ số hàng đơn vị và số hàng trục chỉ lớn nhất là 5 nên do đó chỉ cần dùng từ bit 4 đến bit 6 để mã hóa BCD tiếp chữ số hàng chục Nhưng thanh ghi này

có sự khác biệt với thanh ghi giây là bit 7 nó đã mặc định bằng 0 rồi nên do đó chúng ta không phải làm gì với bit 7;

+ Thanh ghi giờ (0x02): đây là thanh ghi giờ của DS1307 và theo tôi thấy thanh ghi này được coi là phức tạp nhất nhưng mà nhìn bảng thì thấy các tổ chức của nó cũng hợp lý Trước tiên chúng ta thấy được rằng từ bit 0 đến bit 3 nó dùng để mã hóa BCD của chữ số hàng đơn vị của giờ Nhưng mà giờ nó còn có chế độ 24h và 12h nên do đó nó phức tạp ở các bit cao (bit 4 đến bit 7) và sự chọn chế độ 12h và 24h nó lại nằm ở bit 6 Nếu bit 6 = 0 thì ở chế độ 24h thì do chữ số hàng trục lớn nhất là 2 nên do đó nó chỉ dùng 2 bit (bit 4 và bit 5) để mã hóa BCD chữ số hàng trục của giờ Nếu bit 6 =1 thì chế độ 12h được chọn nhưng do chữ số của hàng trục của giờ trong chế độ này chỉ lớn nhất là 1 nên do đó bit thứ 4 là đủ để mã hóa BCD chữ số hàng trục của giờ rồi nhưng mà bit thứ 5 nó lại dùng để chỉ buổi sáng hay chiều, nếu mà bit 5 = 0 là AM và bit 5 = 1 là PM Trong cả 2 chế độ 12h và 24h thì bit 7 = 0 nên ta ko cần chú ý đến thanh ghi này;

+ Thanh ghi thứ (0x03): đây là thanh ghi thứ trong tuần của DS1307 và thanh ghi này khá là đơn giản trong DS1307 Nó dùng số để chỉ thứ trong tuần nên do đó

nó chỉ lấy từ 1 đến 7 tương đương từ thứ hai đến chủ nhật Nên do đó nó dùng 3 bit thấp (bit 0 đến bit 2) để mã hóa BCD ra thứ trong ngày Còn các bit từ 3 đến 7 thì

nó mặc định bằng 0 và ta không làm gì với các bit này;

do chữ số hàng trục của ngày trong tháng chỉ lớn nhất là 3 nên chỉ dùng bit 4 và bit

5 là đủ mã hóa BCD rồi Còn bit 6 và bit 7 chúng ta không làm gì và nó mặc định bằng 0;

+ Thanh ghi tháng (0x05): đây là thanh ghi tháng trong năm của DS1307 Tháng trong năm chỉ có từ 1 đến 12 tháng nên việc tổ chức trong bit cũng tương tự như ngày trong tháng nên do cũng 4 bit thấp (từ bit 0 đến bit 3) mã hóa BCD hàng đơn vị của tháng Nhưng do hàng chục chỉ lớn nhất là 1 nên chỉ dùng 1 bit thứ 4 để

mã hóa BCD ra chữ số hàng trục và các bit còn lại từ bit 5 đến bit 7 thì bỏ trống và

nó mặc định cho xuống mức 0;

+ Thanh ghi năm (0x06): đây là thanh ghi năm trong DS1307 DS1307 chỉ có

100 năm thôi tương đương với 00 đến 99 nên nó dùng tất cả các bit thấp và bit cao

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC, AVR, ARM… Ngoài học vi 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở môi trường đại học, bản than người viết đã chọn họ vi điều khiển PIC để mở rộng vốn kiến thức và phát triển các ứng dụng trên công cụ này vì các nguyên nhân sau: + Học vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam;

+ Giá thành không quá đắt;

23

+ Có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập;

+ Là một sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điều khiển mang tính truyền thống: họ vi điều khiển 8051;

+ Số lượng người sử dụng vi điều khiển PIC, hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới, họ vi điều khiển này được sử dụng một cách khá rộng rãi Điều này tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở khi đã được phát triển thành công, dễ dàng trao đổi học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn;

+ Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công cụ lập trình, nạp chương trình từ đơn giản đến phức tạp;

+ Các tính năng đa dạng của vi điều khiển PIC, và các tính năng này không ngừng được phát triển

Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Harvard Điểm khác biệt giữa kiến trúc Harvard và kiến trúc Von-Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và

bộ nhớ chương trình

Đối với kiến trúc Von-Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chung trong một bộ nhớ, do đó ta có thể tổ chức, cân đối một cách linh hoạt bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu Tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa khi tốc độ xử lí của CPU phải rất cao,vì với cấu trúc đó, trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thể tương tác với bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình [9] Như vậy có thể nói kiến trúc Von-Neuman không thích hợp với cấu trúc của một vi điều khiển

Đối với kiến trúc Harvard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai bộ nhớ riêng biệt Do đó trong cùng một thời điểm CPU có thể tương tác với cả hai bộ nhớ, như vậy tốc độ xử lí của vi điều khiển được cải thiện đáng kể Một điểm cần chú ý nữa là tập lệnh trong kiến trúc Harvard có thể được tối ưu tùy theo yêu cầu kiến trúc của vi điều khiển mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu Ví dụ, đối với vi điều khiển dòng 16Fxxx, độ dài lệnh luôn là 14 bit (trong khi dữ liệu được tổ chức thành từng byte), còn đối với kiến trúc Von-Neumann, độ dài lệnh luôn là bội

số của 1 byte (do dữ liệu được tổ chức thành từng byte)

Vi điều khiển được tổ chức theo kiến trúc Harvard còn được gọi là vi điều khiển RISC (Reduced Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh rút gọn Vi

Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:

+ PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit;

+ PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit;

+ PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit;

+ C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM);

vi điều khiển, các chuẩn giao tiếp bên trong Sau cùng cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép Ngoài ra mọi thông tin về cách lựa chọn vi điều khiển PIC có thể được tìm thấy trong cuốn sách “Select PIC guide” do nhà sản xuất Microchip cung cấp

1.6.2 Vi điều khiển PIC16F877A

a Hình dạng và sơ đồ chân

Hình 2.12 Vi điều khiển PIC16F877A

Sơ đồ chân PIC16F877A:

25

Hình 2.13 Sơ đồ chân vđk PIC16F877A

b Các Khối Trong PIC16F877A

Các khối có trong PIC16F877A bao gồm các khối cơ bản sau [9]:

- Khối ALU;

- Khối bộ nhớ chương trình;

- Khối bộ nhớ dữ liệu;

- Khối bộ nhớ file thanh ghi Ram;

- Khối thanh ghi đặt biệt;

- Khối ngoại vi timer ;

- Khối giao tiếp ;

- Khối chuyển đổi ADC ;

- Khối các Port xuất nhập;

c Các khối PIC16F877A

26

Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A như sau [9]:

Flat program memmory

Program counter

8 leval stack (13-bit)

Ram file registers

Intruction re-g

FSR reg STATUS reg Addr MUX

ALU

W reg

Intruction decode &

control

Timing genalration

parallel stave port

10bit A/D timer2

timer1 timer0

USART synchronous

serial port CCP1,2

Data EEPROM

8

Ram addr (1)

Indirect addr Direct addr

Power-up time Oscilator Start-up time Power on reset Watch dog time Brown-out reset In-circuit debugger Low-voltage programming

RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/VRFF- RA3/AN3/VRFF+ RA4/T0CKI RA5/AN4/SS

RB0 RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 RB6/PGC RB7/PGD

RE0/RD/AN5 RE1/WR/AN6 RE2/CS/AN7 MCLR V 00 ,V SS

Hình 2.14 Sơ đồ khối PIC16F877A

1.6.3 Cấu trúc tổng quát PIC16F877A

Cấu trúc tổng quát PIC16F877A như sau [9]:

- 8 K Flash ROM;

- 368 bytes RAM;

- 256 bytes EEPROM;

27

- 5 Port I/O (A, B, C, D, E), ngõ vào/ra với tín hiệu điều khiển độc lập;

- 2 bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2 ;

- 1bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động trong cả chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài;

- 2 bộ CCP, Capture/Compare/PWM - tạm gọi là: Bắt giữ / So sánh / Điều biến xung;

- 1 cổng song song (Parallel Port) 8 bit với các tín hiệu điều khiển.Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode);

- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programing);

- Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS;

- 1 bộ biến đổi tương tự – số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào;

- 2 bộ so sánh tương tự (Comparator);

- 1 bộ định thời giám sát (WDT – Watch Dog Timer);

- 35 tập lệnh có độ dài 14 bit;

- Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz;

- 1 cổng nối tiếp (Serial Port)

Để mã hóa được địa chỉ 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình có dung lượng 13 bit (PC<12:0>)

Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (Reset vector) Khi có ngắt xảy ra, bộ đém chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h (Interrupt vecter)

Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa

28

bởi bộ đếm chương trình Bộ nhớ stack sẽ được đề cập sau

Dưới đây là hình vẽ sơ đồ tổ chức bộ nhớ:

Stack level 8 Reset vecter

Interrupt vecter

Page 0Page 1Page 2Page 3

0000H

0004H 0005H 07FFH 0800H 0FFFH 1000H 17FFH 1800H 1FFFH

13

Stack level 1 Stack level 2

Stack level 8 Reset vecter

Interrupt vecter

Page 0Page 1

0000H

0004H 0005H 07FFH 0800H 0FFFH 1000H

1FFFH

On-chipProgrammemory

Hình 2.15 Sơ đồ bộ nhớ chương trình

b Bộ nhớ dữ liệu

Bộ nhớ dữ liệu được chia thành nhiều bank và các thanh ghi có chức năng đặt biệt Đối với PIC16F877A được chia àm 4 bank Mỗi bank có thể mở rộng lên đến địa chỉ 7Fh Thanh ghi có chức năng đặt biệt SFR (Special Function Register) nằm

ở ô nhớ có địa chỉ thấp của mỗi bank và thanh ghi mục đích chung GPR (General Purpose Register) nằm ở vùng địa chỉ còn lại trong bank Các thanh ghi SFR thường xuyên được sử dụng (ví dụ như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở ở tất cả các bank của bộ nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và giảm bớt lệnh của chương trình.Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu như sau:

29

File Address

File address

File address

File address Indirect addr.(*) 00H Indirect addr.(*) 80H Indirect addr.(*) 100H Indirect addr.(*) 180H TMR0 01H OPTION_REG 81H TMR0 101H TMR0 181H PCL 02H PCL 82H PCL 102H PCL 182H STATUS 03H STATUS 83H STATUS 103H STATUS 183H FSR 04H FSR 84H SFR 104H FSR 184H PORTA 05H TRISA 85H 105H 185H PORTB 06H TRISB 86H PORTB 106H TRISB 186H PORTC 07H TRISC 87H 107H 187H PORTD(1) 08H TRISD(1) 88H 108H 188H PORTE(1) 09H TRISE(1) 89H 109H 189H PCLATH 0AH PCLATH 8AH PCLATH 10AH PCLATH 18AH INTCON 0BH INTCON 8BH INTCON 10BH INTCON 18BH PIR1 0CH PIE1 8CH EEDATA 10CH EECON1 18CH PIR2 0DH PIE2 8DH EEADR 10DH EECON2 18DH TMR1L 0EH PCON 8EH EEDATH 10EH Reserved(2) 18EH TMR1H 0FH 8FH EEADRH 10FH Reserved(2) 18FH T1CON 10H 90H 110H 190H TMR2 11H SSPCON2 91H 111H 191H T2CON 12H PR2 92H 112H 192H SSPBUF 13H SSPADD 93H 113H 193H SSPCON 14H SSPSTAT 94H 114H 194H CCPR1L 15H 95H 115H 195H CCPR1H 16H 96H 116H 196H CCP1CON 17H 97H 117H 197H RCSTA 18H TXSTA 98H 118H 198H TXREG 19H SPBRG 99H 119H 199H RCREG 1AH 9AH 11AH 19AH CCPR2L 1BH 9BH 11BH 19BH CCPR2H 1CH CMCON 9CH 11CH 19CH CCP2CON 1DH CVRCON 9DH 11DH 19DH ADRESH 1EH ADRESL 9EH 11EH 19EH ADCONO 1FH ADCON1 9FH 11FH 19FH

General purpose Register

80 byte

A0H

EFH

General purpose Register

80 byte

120H

16FH

General purpose Register

80 byte

1A0H

1EFH accesses

70h-7Fh

F0H FFH

accesses 70h-7Fh

170H 17FH

accesses 70h-7Fh

1F0H 1FFH Bank 0 Bank 1 Bank 2 Bank 3

General purpose Register

16 byte

General purpose Register

□ Unimplemented data memory locations, read as '0'

* Not a physical register.

Note 1: These registers are not implemented on the PIC16F877A

2: These registers are reserved; maintain these registers dear.

Hình 2.16 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệuHai bit RP1RP0 chọn Bank: