CHƯƠNG 1 NGUYÊN lí HOẠT ĐỘNG của hệ THỐNG VI điều KHIỂN

CHƯƠNG 1 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG VI ĐIỀU KHIỂN 1 1 Tổng quan đề tài 1 1 1 Giới thiệu đề tài Mục tiêu đặt ra của đề tài là xây dựng một bộ mạch có thể tự động bật đèn khi trời tối Đề tài được xây dựng dựa trên sử dụng vi điều khiển PIC và cảm biến quang 1 1 2 Phương án thực hiện Sử dụng datasheet để hiểu được cấu tạo và nguyên lí hoạt động của vi điều khiển PIC, cảm biến ánh sáng, LED 7 đoạn, Nghiên cứu và sử dụng các phần mềm viết code cho vi điều khiển PIC (PIC C Compiler, MikroC for P.

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG VI ĐIỀU KHIỂN 1.1 Tổng quan đề tài 1.1.1 Giới thiệu đề tài Mục tiêu đặt đề tài xây dựng mạch tự động bật đèn trời tối Đề tài xây dựng dựa sử dụng vi điều khiển PIC cảm biến quang 1.1.2 Phương án thực - Sử dụng datasheet để hiểu cấu tạo nguyên lí hoạt động : vi điều khiển PIC, cảm biến ánh sáng, LED đoạn,… - Nghiên cứu sử dụng phần mềm viết code cho vi điều khiển PIC (PIC C Compiler, MikroC for PIC,…) - Thực chạy thử testboard 1.1.3 Kết thực Thi cơng hồn chỉnh board mạch theo yêu cầu đặt ban đầu hoạt động xác, ổn định 1.1.4 Yêu cầu ban đầu - Sử dụng vi điều khiển PIC, cảm biến ánh sáng - Khi trời tối đèn tự động sáng khì trời sáng đèn tự động tắt 1.2 Sơ đồ khối 1.2.1 Sơ đồ khối Hình 1-1: Sơ đồ khối TS.Ngơ Đình Thanh 1.2.2 Chức khối • Khối nguồn: cung cấp nguồn chiều 5V cho mạch Trong khối nguồn sử dụng: biến áp 1A, cầu diode chỉnh lưu, IC ổn áp 7805, tụ lọc nhiễu • Khối cảm biến: Có chức biến tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện, ta dùng quang trở Như biết, ánh sáng chiếu vào điện trở quang trở giảm đáng kể so với không chiếu sáng • Khối xử lý: PIC nhận tín hiệu từ cảm biến sau thực chương trình ngắt • Khối chấp hành: thực bật tắt đèn nhận tín hiệu từ khối xử lý • Khối hiển thị: hiển thị số người vào phịng thơng qua LED đoạn 1.2.3 Ngun lí hoạt động Sau cấp nguồn, khối cảm biến đưa tín hiệu vào khối xử lý khơng có ánh sáng Khối xử lý thực so sánh điều kiện đặt code đưa tín hiệu điều khiển đến khối chấp hành lệnh, khối hiển thị TS.Ngơ Đình Thanh CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 2.1 PIC 18F4520 2.1.1 Đặc điểm - Pic18f4520 chíp vi điều khiển sản xuất bời hãng Microchip thuộc họ Pic Pic18f4520 vi điều khiển bit dựa kiến trúc RISC nhớ chương trình 32KB ISP flash ghi xóa hàng nghìn lần, 256B EEPROM, nhớ RAM vô lớn giới vi xử lý bit (2KB SRAM) - Với 33 chân sử dụng cho kết nối vào i/O, 32 ghi, timer/counter lập trình, có gắt nội ngoại (2 lệnh vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C Ngồi sử dụng biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 12 kênh, khả lập trình watchdog timer, hoạt động với chế độ nguồn, sử dụng tới kênh điều chế độ rộng xung (PWM)…… 2.1.2 Tổ chức nhớ 2.1.2.0 Bộ nhớ chương trình (Program Memory) Hình 2-1: Tổ chức nhớ theo chương trình TS.Ngơ Đình Thanh Pic18F4520 có 32Kbytes nhớ Flash lưu trữ lên tới 16,384 câu lệnh đơn, dịng Pic có hai vector ngắt: Reset vector có địa 0000h Interrupt vector địa 0008hvà 0018h 2.1.2.1 Bộ nhớ liệu (Data RAM) - Mỗi ghi nhớ liệu có 12 bit địa chỉ, cho phép truy nhập tới 4096 bytes liệu nhớ Không gian nhớ chia làm16 bank gồm 256 byte bank Pic18F4520 sơ đồ phía sau Hình 2-2: Tổ chức nhớ liệu - Bộ nhớ liệu bao gồm : ghi chức đặc biệt (SFRs), ghi mục đích chung (GPRs) Thanh ghi SFR dùng để điều khiển trạng thái chức thiết bị ngoại vi, ghi GPR dùng để lưu trữ làm vùng nhớ tạm thời hoạt động ứng dụng 2.1.2.2 Bộ nhớ EEPROM (Data EEPROM ) - Dữ liệu EEPROM mảng nhớ bất biến phân chia từ nhớ RAM nhớ chương trình, dược dùng để lưu trữ lâu dài liệu chương TS.Ngơ Đình Thanh trình Nó coi ánh xạ có hướng tới khơng gian nhớ chương trình lại địa vô hướng thông qua ghi SFRs Bộ nhớ EEPROM có khả đọc viết q trình hoạt đơng thơng qua khoảng điên áp VDD Thanh ghi SFRs sử dụng để đọc viết liệu nhớ EEPROM gồm: -EECON1 -EECON2 -EEDATA -EEADR 2.1.3 Sơ đồ chân Hình 2-3: Sơ đồ chân Sau giới thiệu cấu tạo chân loại 40 chân : • Chân 1(MCLR /VPP/RE3) : - MCLR đầu vào Master Clear (reset) hoạt động mức thấp dể reset toàn thiết bị - VPP dùng để thay đổi điện áp đầu vào - RE3 đầu vào số Các chân thuộc cổng vào Port A TS.Ngô Đình Thanh • Chân (RA0/AN0):với RA0 cổng vào số, AN0 đầu vào tương tự Input0 • Chân (RA1/AN1): RA1 cổng vào số, AN1 đầu vào tương tự Input1 • Chân (RA2/AN2/VREF+): RA2 cổng vào số, AN2 đầu vào tương tự Input2 VREF+ đầu vào tương tự chuyển đổi A/D điện áp tham chiếu (mức thấp), CVREF đầu tương tự để so sánh điện áp chuẩn • Chân 5(RA3/AN3/VREF-/CVREF ): RA3 cổng vào số, AN3 đầu vào tương tự Input3 VREF- đầu vào tương tự chuyển đổi A/D điện áp tham chiếu (mức cao) • Chân (RA4/T0CKI/C1OUT): RA4 đầu vào số,T0CKI dầu vào xung bên Timer0, C1OUT đầu so sánh • Chân (RA5/AN4/ SS /HLVDIN/C2OUT): RA5 cổng vào só, AN4 đầu vào tương tự Input 4, SS chọn đầu vào phụ thuộc SPI, HLVDINđầu vào tương tự để dò điện áp, C2OUT đầu so sánh • Chân 13 (OSC1/CLKI/RA7): với OSC1là đầu vào dao động thạch anh đầu vào nguồn xung từ bên ngoài, ta nối dây với thiết bị tương tự đầu vào dạng ST( Schmitt Trigger input ưith CMOS levels).CLKI đầu vào CMOS cho nguồn xung bên ngồi ln ghép nối với chân OSC1 Còn RA7 chân vào sử dụng chung • Chân 14 (OSC2/CLKO/RA6): OSC2 đầu dao động thạch anh nối với thạch anh công hưởng dể lựa chọn dạng dao động thạch anh CLK0 có tần số ¼ tần số OSC1 đọ rộng chu kì lệnh, RA6 đầu vào chung Các chân cổng vào hai chièu Port B Port B lập trình phần mềm cho kéo đầu vào bên yếu lên tồn đầu vào • Chân 33 (RB0/INT0/FLT0/AN12): Với RB0 cổng vào số, INT0 đầu vào ngắt Interrup 0, FLT0 đầu vào báo lỗi PWM tăng cường CCP1, AN12 đầu vào tương tự Input 12 • Chân 34 RB1/INT1/AN10): RB1 đầu vào số, INT1 đầu vào ngắt Interrup1, AN10 đầu tương tự Input 10 • Chân 35(RB2/INT2/AN8): RB2 đầu vào số, INT2 đầu vào ngắt Interrup2, AN8 đầu tương tự Input • Chân 36 (RB3/AN9/ccp2): RB3 đầu vào số, AN9 đầu tương tự Input 9, CCP2 ( Capture input/Compare output/PWM2 output.) • Chân 37 (RB4/KBI0/AN11):): RB4 đầu vào số, KBI0 thay đổi mở ngắt, AN11 đầu tương tự Input TS.Ngơ Đình Thanh • Chân 38 (RB5/KBI1/PGM): RB5 đầu vào số, KBI1 thay đổi mở ngắt, PGM cho phép lập trình ISCPTM điện áp thấp • Chân 39 (RB6/KBI2/PGC): RB6 đầu vào số, KBI2 thay đổi mở ngắt, PGC chân dùng mạch chạy xung lập trình ICSP • Chân 40 (RB7/KBI3/PGD): RB7 đầu vào số, KBI3 thay đổi mở ngắt, PGD chân dùng mạch chạy xung lập trình ICSP Các chân cơng Port C • Chân 15 (RC0/T1OSO/T13CKI):RC0 đầu vào số, T1OSO đầu dao động Timer1, T13CKI đầu vào xung bên ngồi Timer1/Timer3 • Chân 16 (RC1/T1OSI/CCP2): RC1 đầu vào số, T1OSI đầu vào dao động Timer1, CCP2(Capture input/Compare output/PWM2 output.) • Chân 17 (RC2/CCP1/P1A): RC2 lầ đầu vào số, CCP1(Capture1 input/Compare output/PWM1 output.), P1A đầu tăng cường CCP1 • Chân 18(RC3/SCK/SCL): RC3 đầu vào số, SCK đầu vào đư chuỗi xung vào cho SPI lựa chọn, SCL đầu vào đưa chuỗi xung vào cho I2CTM lựa chọn • Chân 23 (RC4/SDI/SDA): RC4 đầu vào số, SDI đầu vào liệu API, SDA đầu vào liệu cho I2C • Chân 24 (RC5/SDO): RC5 đầu vào số, SDO đầu liệu SPI • Chân 25 (RC6/TX/CK): RC6 đầu vào số, TX đầu chuyển đổi dị EUSARRT, CK dầu vào xung đồng EUSART • Chân 26(RC7/RX/DT): RC7 đầu vào số, RX đầu vào nhận dị EUSART, DT đầu vào liệu đồng EUSART Các chân cổng Port D( Port D vào hai hướng cổng song song phụ thuộc(PSP) cho giao diên vi xử lý đầu vào phải TTL • Chân 19 (RD0/PSP0): RD0 đầu vào số, PSP0 cổng liệu song song phụ thuộc • Chân 20 (RD1/PSP1): RD1 đầu vào số, PSP1cổng liệu song song phụ thuộc • Chân 21 (RD2/PSP2): RD2đầu vào số, PSP2 cổng liệu song song phụ thuộc • Chân 22 (RD3/PSP3): RD3 đầu vào số, PSP3 cổng liệu song song phụ thuộc • Chân 27 (RD4/PSP4): RD4 đầu vào số, PSP4 cổng liệu song song phụ thuộc • Chân 28 (RD5/PSP5/P1B): RD5 đầu vào số, PSP5 cổng liệu song song phụ thuộc, P1B đầu tăng cường CCP1 • Chân 29 (RD6/PSP6/P1C): RD6 đầu vào số, PSP6 cổng liệu song song phụ thuộc, P1C đầu tăng cường CCP1 • Chân 30 (RD7/PSP7/P1D): RD7 đầu vào số, PSP7 cổng liệu song song phụ thuộc, P1D đầu tăng cường CCP1 Các chân cổng Port E TS.Ngô Đình Thanh • Chân (RE0/ RD/AN5): RE0 đầu vào số, RD đầu vào điều khiển đọc cho cổng PSP, AN5 đầu vào tương tự Input5 • Chân (RE1/WR /AN6): RE1 đầu vào số, WR đầu vào điều khiển viết liệu cổng PSP, AN6 đầu vào tương tự Input6 • Chân 10 (RE2/CS /AN7): RE2 đầu vào số, CS điều khiển chọn Chip cho cổng PSP, AN7 đầu vào tương tự Input7 Đầu RE3 nằm chân Các chân khác • Chân 12,31 (VSS): nối đất chuẩn cho I/O logic • Chân 11,32 (VDD): cungcấp nguồn dương cho I/O logic 2.1.4 Quang trở: - Quang trở gọi điện trở quang, photoresistor, photocell linh kiện tạo chất đặc biệt thay đổi điện trở ánh sáng chiếu vào Về bản, bạn hiểu tế bào quang điện hoạt động dựa theo nguyên lý quang dẫn Hay hiểu điện trở thay đổi giá trị theo cường độ ánh sáng.  Hình 2-4: Quang trở - Cấu tạo quang trở gồm phần phần phần màng kim loại đấu nối với thông qua đầu cực Linh kiện thiết kế theo cách cung cấp diện tích tiếp xúc tối đa với màng kim loại đặt hộp nhựa giúp tiếp xúc với ánh sáng cảm nhận thay đổi cường độ ánh sáng - Nguyên lý hoạt động quang trở dựa nguyên lý hiệu ứng quang điện khối vật chất Khi mà photon có lượng đủ lớn đập vào, khiến cho electron bật khỏi phân tử trở thành electron tự khối chất từ chất bán dẫn chuyển thành dẫn điện.  Mức độ dẫn điện quang trở tùy thuộc vào phần lớn photon hấp thụ Khi ánh sáng TS.Ngơ Đình Thanh lọt vào quang trở, electron giải phóng độ dẫn điện tăng lên.   2.1.1 Led đoạn Hình 2-5: led đoạn - Led đoạn có cấu tạo bao gồm led đơn xếp theo hình phía có thêm led đơn hình trịn nhỏ thể dấu chấm trịn góc dưới, bên phải led - led đơn led có Anode cathode nối chung với vào điểm đưa chân để kết nối với mạch điện cực lại led đơn led đoạn cực led đơn góc dứoi, bên phải led đoạn đưa thành chân riêng để điều khiển cho led sáng tắt theo ý muốn - Nếu led đoạn có Anode chung, đầu chung nối với +Vcc, chân lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt led đơn, led sáng tín hiệu đặt vào chân mức - Nếu led đoạn có Cathode chung, đầu chung nối xuống Ground, chân lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt led đơn, led sáng tín hiệu đặt vào chân mức - Nguyên lý hoạt động: LED đơn phải phân cực thuận để sáng lên Để hình thành số ta phải cho LED đơn tương ứng sáng lên - Thông số kĩ thuật: Điện áp hoạt động 5V 3V3 (nguồn chiều) Dịng hoạt động 20mA TS.Ngơ Đình Thanh 2.1.2 Điện trở: - Điện trở (Resistor) linh kiện điện tử thụ động với tiếp điểm nối Chức dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu, hạn chế cường độ dịng điện chảy mạch Dùng để chia điện áp, kích hoạt linh kiện điện tử chủ động transistor, tiếp điểm cuối đường truyền điện đồng thời có nhiều ứng dụng khác Hình 2-5: Điện trở 2.1.3 Tụ điện: Tụ điện linh kiện điện tử thụ động cấu tạo hai cực đặt song song ngăn cách lớp điện mơi Khi có chênh lệch điện hai bề mặt, bề mặt xuất điện tích điện lượng trái dấu Tụ điện có tính chất cách điện chiều cho dòng điện xoay chiều qua nhờ nguyên lý phóng nạp Chúng sử dụng mạch điện tử: mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động vv…  Ký hiệu: Tụ điện có ký hiệu C viết tắt Capacitior  Đơn vị tụ điện:  Fara (F), Trong : Fara: 1F = 10-6MicroFara = 10-9 Nano Fara = 10-12 Pico Fara  Tụ điện linh kiện có cực thụ động lưu trữ lượng điện Hay tích tụ điện tích bề mặt dẫn điện điện trường  bề mặt dẫn điện tụ điện ngăn cách điện môi (dielectric) không dẫn điện như: Giấy, giấy tẩm hoá chất, gốm, mica…  Khi bề mặt có chênh lệch điện thế, cho phép dòng điện xoay chiều qua Các bề mặt có điện tích điện lượng trái dấu Hình 2-6: tụ điện TS.Ngơ Đình Thanh 10 2.1.4 Tụ gốm 104: - Tụ gốm 104 tụ điện có điện mơi chế tạo theo cơng nghệ gốm, chân cắm linh kiện mạ thiếc Tụ gốm 104 tụ khơng phân cực có giá trị nhỏ thường dùng mạch cao tần mạch lọc nhiễu - Tụ gốm 104 hình dẹt có trị số ký hiệu thân ba số (VD : 103J, 223K, 471J vv…) Trong ba số đầu ký hiệu cho giá trị , chữ J K cuối kà ký hiệu cho sai số - Tụ gốm sản xuất theo số giá trị định, bạn cần giá trị điện dung tùy ý, bạn đấu song song nối tiếp tụ điện lại với Hình 2-7: Tụ gốm 104 2.1.5 Transistor Npn 2N2222: - 2N2222 transistor sử dụng rộng rãi thiết bị thương mại, dự án giáo dục Transistor có nhiều tính tốt kích thước nhỏ Ví dụ, dịng điện cực góp transistor 600mA, tốt để sử dụng làm công tắc để điều khiển nhiều tải lúc mạch điện tử Cơng suất tiêu tán cực góp tối đa transistor 625mW, nên transistor lý tưởng để sử dụng giai đoạn khuếch đại âm khuếch đại đầu để điều khiển loa âm nhỏ Điện áp cực đại phát transistor 40V, người dùng sử dụng mạch hoạt động 40V DC - Tính thơng số kỹ thuật 2N2222: Loại gói: TO-92 Loại transistor: NPN Dịng cực góp tối đa (IC): 600mA Điện áp cực góp - cực phát tối đa (VCE): 40V Điện áp cực góp - cực gốc cực đại (VCB): 75V Điện áp cực phát - cực gốc tối đa (VEBO): 6V TS.Ngơ Đình Thanh 11 Tiêu tán cực góp tối đa (Pc): 625 mW Tần số chuyển tiếp tối đa (fT): 300 MHz Độ lợi dòng điện DC tối thiểu tối đa (hFE): 35 - 300 Nhiệt độ lưu trữ & hoạt động tối đa phải là: -55 đến +150 độ C Hình 2-8: Transistor Npn 2N2222 2.1.6 Điốt phát quang: - Điốt phát quang các điốt có khả phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại, cấu tạo từ khối bán dẫn loại p ghép với khối bán dẫn loại n - Hoạt động diode phát quang giống với nhiều loại diode bán dẫn Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự mang điện tích dương nên ghép với khối bán dẫn N chứa điện tử tự lỗ trống có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N Khối P lúc lại nhận thêm điện tích âm từ khối N chuyển sang Khối P tích điện âm khối N tích điện dương Ở biên giới hai mặt tiếp giáp, số điện tích bị lỗ trống thu hút, chúng tiến lại gần kết hợp với tạo thành nguyên tử trung hịa.  Q trình giải phóng lượng dạng ánh sáng Hình 2-9: Điốt phát quang TS.Ngơ Đình Thanh 12 2.1.7 Nút nhấn: - Nút nhấn loại công tắc đơn giản điều khiển hoạt động của máy số loại trình Hầu hết, nút nhấn nhựa kim loại Hình dạng nút ấn phù hợp với ngón tay bàn tay để sử dụng dễ dàng Tất phụ thuộc vào thiết kế cá nhân Nút ấn có loại chính là nút nhấn thường mở nút nhấn thường đóng -Nguyên lí làm việc của nút nhấn: Nút nhấn có ba phần: Bộ truyền động, các tiếp điểm cố định rãnh Bộ truyền động qua tồn cơng tắc vào xy lanh mỏng phía Bên tiếp điểm đợng lò xo Khi nhấn nút, chạm vào tiếp điểm tĩnh làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm Trong số trường hợp, người dùng cần giữ nút nhấn liên tục để thiết bị hoạt động Với nút nhấn khác, chốt giữ nút bật người dùng nhấn nút lần Hình 2-10: Nút nhấn 2.2 Tính tốn linh kiện hệ thống: TS.Ngơ Đình Thanh 13 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG MẠCH 3.1 Thiết kế mạch ngun lí: 3.2 Chạy mơ phần mềm proteus: TS.Ngơ Đình Thanh 14 ... Chân 15 (RC0/T1OSO/T13CKI):RC0 đầu vào số, T1OSO đầu dao động Timer1, T13CKI đầu vào xung bên ngồi Timer1/Timer3 • Chân 16 (RC1/T1OSI/CCP2): RC1 đầu vào số, T1OSI đầu vào dao động Timer1, CCP2(Capture... sánh điều kiện đặt code đưa tín hiệu điều khiển đến khối chấp hành lệnh, khối hiển thị TS.Ngơ Đình Thanh CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 2 .1 PIC 18 F4520 2 .1. 1 Đặc điểm - Pic18f4520... (RB0/INT0/FLT0/AN12): Với RB0 cổng vào số, INT0 đầu vào ngắt Interrup 0, FLT0 đầu vào báo lỗi PWM tăng cường CCP1, AN12 đầu vào tương tự Input 12 • Chân 34 RB1/INT1/AN10): RB1 đầu vào số, INT1 đầu vào