Giáo trình Kỹ thuật vi điều khiển nâng cao (Nghề Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trình độ Cao đẳng)

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN: KỸ THUẬT VI ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO NGÀNH/ NGHỀ : CN KTĐK VÀ TĐH TRÌNH ĐỘ : Cao đẳng (Ban hành theo Quyết định số:630/QĐ-CĐN, ngày tháng năm 2022 Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang) An Giang, Năm ban hành: 2022 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI MỞ ĐẦU Kỹ thuật vi điều khiển nâng cao môn chuyên ngành ngành tự động hóa Nhằm cung cấp cho người học kiến thức chuyên sâu lĩnh vực lập trình điều khiển Mơn học học sau môn kỹ thuật vi điều khiển nên người học có kiến thức thiết kế mạch, hiểu cấu trúc vi điều khiển 89S52, sử dụng tập lệnh viết chương trình điều khiển đơn giản ngôn ngữ assembly Ở môn học này, người học học cách viết chương trình điều khiển ngơn ngữ C, ngơn ngữ lập trình phổ biến Và học thiết kế ứng dụng chuyên sâu số vi điều khiển 89S52, AVR, PIC, Arduino,… Với mục tiêu trên, nội dung môn học chia thành sau: - Bài 1: Ngơn ngữ C - Bài 2: Bàn phím ma trận - Bài 3: Thời gian thực - Bài 4: Điều khiển ADC DAC - Bài 5: Đo điều khiển nhiệt độ - Bài 6: Điều khiển động DC - Bài 7: Giao tiếp máy tính - Bài 8: Họ vi điều khiển PIC 16Fxx - Bài 9: Lập trình Arduino Các học xếp theo trình tự phù hợp với nhận thức phát triển nhận thức người học nghề Tuy nhiên để đạt hiệu cao đọc giáo trình này, người học cần nắm vững kiến thức môn học sở khác như: kỹ thuật điện, linh kiện điện tử, mạch số, điện tử công suất, kỹ thuật vi điều khiển Giáo trình cung cấp kiến thức làm sở để phát triển nhận thức người học Tuy nhiên giảng cần tăng cường liên hệ, so sánh với hệ thống sản xuất, hệ thống tự động công nghiệp nông nghiệp để người học có nhìn tổng thể Trong trình biên soạn, cố gắng tham khảo nhiều tài liệu giáo trình khác tác giả khơng khỏi tránh thiếu sót hạn chế Tác giả chân thành mong đợi nhận xét, đánh giá góp ý để giáo trình ngày hoàn thiện An Giang, ngày 20 tháng 05 năm 2021 Tác giả biên soạn Lý Đa Tạo MỤC LỤC Đề mục LỜI MỞ ĐẦU Trang MỤC LỤC CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC: KỸ THUẬT VI ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO BÀI 1: NGÔN NGỮ C BÀI 2: BÀN PHÍM MA TRẬN 10 19 BÀI 3: THỜI GIAN THỰC BÀI 4: ĐIỀU KHIỂN ADC VÀ DAC 31 39 BÀI 5: ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 43 BÀI 6: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BÀI 7: GIAO TIẾP MÁY TÍNH 46 50 BÀI 8: HỌ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16Fxx BÀI 9: LẬP TRÌNH ARDUINO 58 61 CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơn học: KỸ THUẬT VI ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO Mã số mô đun: MĐ23 Thời gian thực mô đun: 120 (Lý thuyết: 40 giờ, Thực hành: 80 giờ) I VỊ TRÍ TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN Vị trí: Trước học mơn học cần hồn thành Mơn học sở, đặc biệt môn học: Vi điều khiển Tính chất: Là mơ đun bắt buộc II MỤC TIÊU CỦA MÔ ĐUN Về kiến thức: - Trình bày rõ ràng cấu trúc ứng dụng chuyên dùng vi khiển họ 89XX - Trình bày quy trình thiết kế ứng dụng dùng vi điều khiển - Trình bày cấu trúc vi điều khiển PIC - Trình bày cấu trúc board Arduino Về kỹ năng: - Hiểu, sửa chữa thay mạch thực hành nâng cao dùng vi khiển họ 89XX PIC - Thiết kế viết chương trình ứng dụng nâng cao, giao tiếp với máy tính - Viết chương trình điều khiển dùng ngơn ngữ C - Viết chương trình điều khiển cho VĐK họ PIC - Viết số chương trình điều khiển ứng dụng dùng Arduino Về lực tự chủ trách nhiệm: - Có ý thức an toàn cao bảo vệ sử dụng thiết bị III NỘI DUNG MÔ ĐUN Nội dung tổng quát phân bố thời gian : TT Tên chương, mục Tổng số Bài 1: Ngôn ngữ C I Tìm hiểu ngơn ngữ C, phần mềm Keil C II Lập trình vi điều khiển ngơn ngữ C III Thực hành với ngôn ngữ C Bài 2: Bàn phím ma trận I Cấu tạo bàn phím ma trận II Kết nối bàn phím ma trận với vi điều khiển III Giải thuật quét theo mã phím IV Thực hành viết chương trình qt phím 12 Thời gian (giờ) Thực hành, Lý thí nghiệm, Kiểm thuyết thảo luận, tra tập 2 1 3 Bài 3: Thời gian thực I Sơ đồ chức chân IC thời gian thực II Cấu trúc bên IC, ghi IC III Kết nối IC thời gian thực với vi điều khiển IV Giải thuật truy xuất IC thời gian thực V Luyện tập Kiểm tra Bài 4: Điều khiển ADC DAC I Tìm hiểu IC ADC IC DAC II Kết nối IC ADC IC DAC với vi điều khiển III Giải thuật lập trình IV Luyện tập Bài 5: Đo điều khiển nhiệt độ I Tìm hiểu loại cảm biến nhiệt (LM335) II Sơ đồ kết nối cảm biến với vi điều khiển III Giải thuật lập trình IV Thực hành đo điều khiển nhiệt độ Bài 6: Điều khiển động DC I Tìm hiểu mạch cơng suất cầu H II Kết nối động với vi điều khiển III Tìm hiểu động bước IV Kết nối động bước với vi điều khiển V Thực hành điều khiển động DC động bước Bài 7: Giao tiếp máy tính I Tìm hiểu chuẩn RS232 IC Max232 II Sơ đồ kết nối vi điều khiển máy tính III Giải thuật viết chương trình IV Thực hành giao tiếp máy tính Bài 8: Họ vi điều khiển PIC 16Fxx I Cấu trúc họ vi điều khiển PIC II Phương pháp lập trình cho PIC III Thực hành viết chương trình số ứng dụng PIC Kiểm tra Bài 9: Lập trình Arduino 12 1 1 12 1 12 9 1 1 12 1 1 1 12 1 20 4 10 10 20 11 2 I Giới thiệu Arduino II Phần cứng Arduino III Phần mềm IDE cho Arduino IV Lập trình ứng dụng 11 Kiểm tra Cộng 120 40 74 * Ghi chú: Thời gian kiểm tra tích hợp lý thuyết với thực hành tính vào thực hành Nội dung chi tiết: Bài 1: Ngôn ngữ C Thời gian : 12 (LT: ; TH: giờ) A Mục tiêu bài: - Trình bày phương pháp lập trình ngơn ngữ C mơi trường Keil C - Sử dụng phần mềm Keil C yêu cầu kỹ thuật - Lập trình điều khiển cho vi điều khiển ngôn ngữ C cách thành thạo theo yêu cầu B Nội dung bài: I Tìm hiểu ngơn ngữ C, phần mềm Keil C II Lập trình vi điều khiển ngơn ngữ C III Thực hành với ngơn ngữ C Bài 2: Bàn phím ma trận Thời gian : (LT: ; TH: giờ) A Mục tiêu bài: - Trình bày cấu trúc bàn phím ma trận, kết nối với vi điều khiển; - Giải thuật lập trình giao tiếp bàn phím ma trận vi điều khiển; - Viết chương trình giao tiếp bàn phím ma trận theo yêu cầu kỹ thuật B Nội dung bài: I Cấu tạo bàn phím ma trận II Kết nối bàn phím ma trận với vi điều khiển III Giải thuật quét theo mã phím IV Thực hành viết chương trình qt phím Bài 3: Thời gian thực Thời gian : 12 (LT: ; TH: giờ) A Mục tiêu bài: - Trình bày cấu tạo chức thời gian thực; - Kết nối IC thời gian thực vi điều khiển; - Truy xuất nhớ thời gian thực theo yêu cầu; - Viết chương trình đồng hồ thời gian thực theo yêu cầu B Nội dung bài: I Sơ đồ chức chân IC thời gian thực II Cấu trúc bên IC, ghi IC III Kết nối IC thời gian thực với vi điều khiển IV Giải thuật truy xuất IC thời gian thực V Luyện tập KIỂM TRA (2h) Bài 4: Điều khiển ADC DAC Thời gian : 12 (LT: ; TH: giờ) A Mục tiêu bài: - Trình bày chức IC ADC DAC; - Kết nối vi điều khiển truy xuất liệu IC ADC DAC; - Giải thuật lập trình biến đổi ADC DAC theo yêu cầu B Nội dung bài: I Tìm hiểu IC ADC IC DAC II Kết nối IC ADC IC DAC với vi điều khiển III Giải thuật lập trình IV Luyện tập Bài 5: Đo điều khiển nhiệt độ Thời gian : 12 (LT: ; TH: giờ) A Mục tiêu bài: - Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động loại cảm biến nhiệt; - Thực kết nối giải thuật lập trình với cảm biến nhiệt; - Viết chương trình điều khiển theo yêu cầu B Nội dung bài: I Tìm hiểu loại cảm biến nhiệt (LM335) II Sơ đồ kết nối cảm biến với vi điều khiển III Giải thuật lập trình IV Thực hành đo điều khiển nhiệt độ Bài 6: Điều khiển động DC Thời gian : 12 (LT: ; TH: giờ) A Mục tiêu bài: - Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động cầu H; - Thực kết nối cầu H vi điều khiển yêu cầu kỹ thuật; - Trình bày cấu tạo phương pháp điều khiển động bước; - Thực lập trình điều khiển động DC động bước yêu cầu kỹ thuật B Nội dung bài: I Tìm hiểu mạch cơng suất cầu H II Kết nối động với vi điều khiển III Tìm hiểu động bước IV Kết nối động bước với vi điều khiển V Thực hành điều khiển động DC động bước Bài 7: Giao tiếp máy tính Thời gian : 12 (LT: ; TH: giờ) A Mục tiêu bài: - Trình bày cấu tạo chế độ làm việc cổng truyền thông nối nội dung học; - Thực cổng truyền thông nối tiếp yêu cầu kỹ thuật; - Thực thu phát liệu nối tiếp 8051 đạt yêu cầu kỹ thuật B Nội dung bài: I Tìm hiểu chuẩn RS232 IC Max232 II Sơ đồ kết nối vi điều khiển máy tính III Giải thuật viết chương trình IV Thực hành giao tiếp máy tính Bài 8: Họ vi điều khiển PIC 16FXX Thời gian : 20 (LT: ; TH: 12 giờ) A Mục tiêu bài: - Trình bày cấu trúc vi điều khiển PIC; - Trình bày sơ đồ chân tổ chức nhớ PIC yêu cầu kỹ thuật; - Truy xuất lập trình PIC theo yêu cầu B Nội dung bài: I Cấu trúc họ vi điều khiển PIC II Phương pháp lập trình cho PIC III Thực hành viết chương trình số ứng dụng PIC KIỂM TRA (2h) Bài 9: Lập trình Arduino Thời gian : 20 (LT: ; TH: 13 giờ) A Mục tiêu bài: - Trình bày cấu trúc phần cứng board Arduino; - Sử dụng phần mềm IDE, giao diện phần mềm IDE lập trình cho Arduino - Thực hành lập trình số ứng dụng dùng Arduino B Nội dung bài: I Giới thiệu Arduino II Phần cứng Arduino III Phần mềm IDE cho Arduino IV Lập trình ứng dụng KIỂM TRA (2h) IV ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN MƠ ĐUN Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng: - Phịng máy vi tính có cài phần mềm chuyên dụng Trang thiết bị máy móc: - Máy vi tính - Kít thực hành vi điều khiển 89xx - Mơ hình sử dụng vi điều khiển PIC - Dao động ký kênh - Máy nạp chip vạn - Đồng hồ DVOM/VOM - Máy xóa EPROM Học liệu, dụng cụ, nguyên liệu: - Vi điều khiển - Vi mạch số loại - Điện trở loại - Tụ điện loại - Rờ le - Transistor loại - Thạch anh - Led loại - Cảm biến nhiệt độ - IC thời gian thực - Động DC, động bước - Mạch in - Dây nối - Chì hàn - Sơ đồ mạch thực hành - Mỏ hàn - Kềm cắt - Nhíp - Dụng cụ tháo ráp vi mạch Các điều kiện khác: V NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ Nội dung: - Kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm theo nội dung: trình bày cấu tạo, đặc điểm, ứng dụng loại Vi điều khiển học - Kỹ năng: Đánh giá kỹ thực hành theo nội dung sau: học viên, nhóm học viên thực công việc sau theo yêu cầu giáo viên: + Lắp ráp mạch ứng dụng phần giáo viên đề + Thực viết chương trình theo yêu cầu cho trước Tiêu chí đánh giá theo nội dung: + Độ xác cơng việc + Tính thẩm mỹ mạch điện + Độ an toàn mạch điện + Thời gian thực cơng việc + Độ xác theo yêu cầu kỹ thuật - Năng lực tự chủ trách nhiệm: Đánh giá phong cách học tập thể ở: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác Phương pháp: Kiểm tra, đánh giá trực tiếp học viên VI HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔ ĐUN Phạm vi áp dụng mơ đun: - Chương trình mơ đun sử dụng để giảng dạy cho trình độ cao đẳng nghề - Chương trình dùng để dạy học sinh ngắn hạn (sơ cấp nghề) có trình độ văn hóa lớp 12 qua đào tạo điện tử trung cấp có nhu cầu chuyển đổi nghề Hướng dẫn phương pháp giảng dạy, học tập mô đun: - Đối với giáo viên, giảng viên: + Nội dung biên soạn theo phương pháp tích hợp nên soạn giảng giáo viên nên soạn theo phương pháp tích hợp + Vật liệu, dụng cụ trang thiết bị phải chuẩn bị đầy đủ trước thực giảng + Thực giảng dạy nơi thực tập xưởng thực hành + Học sinh cần chia thành nhóm nhỏ từ đến học sinh, để thực nội dung thực hành Cả hai loại chân 25 chân có chung đặc điểm khác hẳn với cổng máy in chổ : cổng máy in loại ổ cắm , cổng nối tiếp lại phích cắm nhiều chân Mức logic nằm từ +3V đến +25V Mức logic nằm từ –3V đến –25V Khoảng –3V đến +3V trạng thái không xác định (undefined) Điện áp hở mạch phải nhỏ 25V Dòng điện ngắn mạch không vượt 500mA Việc truyền liệu xảy hai đường dẫn chủ yếu TXD RXD Qua chân TXD, máy tính gửi liệu đến máy tính khác thiết bị ngoại vi Trong đó, máy tính nhận liệu thông qua chân RXD Các tín hiệu khác đóng vai trò tín hiệu hỗ trợ trao đổi thông tin ứng dụng dùng đến Điều khiển việc truyền liệu qua cổng nối tiếp RS232 vi xử lý UART 8250 Khuôn mẫu truyền liệu cần phải thiết lập bên gửi bên nhận Dữ liệu truyền theo kiểu bất đồng với giá trị tốc độ truyền thông thường 300, 600, 1200 2400, 4800, 9600 19200bps IC Max232 Hầu hết thiết bị mà ta sử dụng có mức logic TTL hay CMOS Vì vậy, để kết nối với cổng RS-232C ta cần phải chuyển đổi mức tín hiệu RS-232C thành 0V 5V tương ứng với mức logic Trong thực tế, có nhiều vi mạch chuyển từ RS-232 sang TTL ngược lại, MAX232 hãng Maxim dùng phổ biến Ưu điểm MAX232 sử dụng nguồn đơn cực +5V Bên MAX232 có nhân đôi điện áp để tạo áp nguồn +/-10V, đáp ứng mức áp cho RS-232 MAX232 bao gồm truyền nhận tích hợp vi mạch, điều thuận tiện cho việc thiết kế mạch nhỏ gọn Tín hiệu RS-232 vào ngõ R1 IN, R2 IN tín hiệu TTL ngõ R1 OUT, R2 OUT Tín hiệu TTL vào ngõ T1 IN, T2 IN tín hiệu RS-232 ngõ T1 OUT, T2 OUT Tốc độ chuyển đổi: 200Kbps Sơ đồ sau cho thấy khối bên MAX232 linh kiện mắc bên theo dạng chuẩn: 53 RS-232 OUTPUT Với MAX232 ta thực việc trao đổi liệu máy tính vi xử lý Tuy nhiên nhược điểm MAX232 hỗ trợ 1driver/1reiceiver khoảng cách truyền ngắn (