Khóa luận tốt nghiệp Sư phạm vật lý: Chế tạo bộ thí nghiệm kiểm chứng ba định luật thực nghiệm của chất khí có sử dụng vi điều khiển và cảm biến

Giới thiệu chung Trong quá trình sử dụng các dụng cụ thí nghiệm hiện có để giảng dạy Nhiệt Học chương trình Vật Lý trung học phổ thông, việc lấy số liệu nhiều lân các thông số trạng thái

.—~ <)>

BO GIAO DUC VA DAO TAO

TRUONG DAI HỌC SU PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

KHOA VAT LY

NGUYEN TAN PHAT

CHE TAO BỘ THÍ NGHIỆM KIEM CHUNG

CO SU DUNG VI DIEU KHIEN VA CAM BIEN

LUAN VAN TOT NGHIEP DAI HOC

Thanh phế Hé Chi Minh - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

NGUYEN TAN PHÁT

CHE TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KIEM CHUNG

BA ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM CỦA CHÁT KHÍ

CÓ SỬ DỤNG VI DIEU KHIEN VA CẢM BIEN

Nganh: SU PHAM VAT LY

Mã số: 102

NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC

TS NGUYEN LAM DUY

— Jud

oa | THU VIỆN

Truong Đại-Hoc Su-PhamTP HO-CHI-MINH |

Thanh phó Hỗ Chi Minh - 2015

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hễ trợ,

giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thờigian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rấtnhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thay Cô, gia đình va bạn bẻ

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất của mình đến Thầy Nguyễn Lâm Duy,người đã rất nhiệt tình, tận tâm, chu đáo, cung cấp những kiến thức và hướng dẫn

em thực hiện dé tài này Thay là người truyền cho em niềm đam mê, yêu thích khám

phá Vật Ly, truyền cho em lòng yêu nghé giáo cao qui mà minh đang theo đuổi.

Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Huỳnh Duy

Khang và Thầy Trần Đặng Bảo Ân, những người đã luôn ở bên cạnh động viên,

hướng dẫn và hỗ trợ những lúc em gặp khó khăn khi thực hiện luận văn này.

Em xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô giảng viên Khoa Vật Lý, trường Đại

học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh - những người đã trang bị cho em kiến thức

hữu ích giúp em hoàn thành luận văn nảy.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè - những người đã luôn

động viên, chia sẽ, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quí báu trong suốt quá trình

thực hiện luận văn.

Em xin chân thành cam ơn!

TP Hỗ Chi Minh, ngày 20 tháng 04 nam 2015

Sinh vién

tL

Nguyễn Tắn Phat

MỤC LỤC

BENS BGC Ssábot6s xố dGGL5GGG10002260G0656/G030AL/ad2212x0x0S586 i4 G2cg2 I

DANE MUC CAC BING Vii S022 G0GãadiSEccdo aaa ene natn IV

EV AMER MỨC GÁC BIR NG ssiicciscss ccasccscasa cu it các 0222100 2à00060Liesaiiiasi VI

MỜ ĐẦU Sc-cccoi2g200G01070260i2,0166623x6À183/062820:i228404 G264928/bs342olAi10sssb |

CHƯNG Is VI BIBL KHIỂN ĐỀ e< se 2seeeoaeee 4

L.A KHAI QUAT VE VI DIBU KHIEN cccsssssssssecssssesssseeseeseresseresnserenseenes 4

Ci | ee: 4

ee OO) | 5

1.1.3 Cấu trúc tổng quan của vi điều khiển -5-555s6<<ee 6

XÃ KHÁI QUÁT VE VI ĐIÊU KHIEN PIC - - 55-52 7

| ee 7

1.2.2 Kiến trúc PIC 5222257cccevcccccccrerrrccecccer 7

E23: 7 RIBC VA CIBC skeet edd a eG es Ụ

124: Pipelining ee 9

1.2.5 Các dòng vi điều khiển PIC 0 csccscsssssseeeseseessseseceneesssseccsesrersesess HH

1.2.6 Ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển PIC - - HH

1.2.7 Mach nạp vi điều khiển PIC 5 25< SscSczertEreereee 12

1.3, VI ĐỀU KHIỂN ĐC GEO TIA sass nissan taeenants sano 13

PS; NO :ecccccsccccozoaeeoiodoiiive66laoseaivaeaasss 13

XS ĐNNsaeeekeiieeeoiielddtebeekioaoeeeodiedseiossenaodse 14

1.3.3 Các khối chức năng của PIC 16FB877A csccsscccssessssscesssessssseessneceens 15

CHƯƠNG 2: CAM BIEN VÀ CÁC LINH KIEN ĐIỆN TU LIÊN QUAN 19

qi CAM BIEN NHIỆT ĐỘ LMB5 cssecsssvesssvesessnecssnessssneeesneneennenssneeeeen 19

922 Che thle wb Wan vide ccs 22

DRS eon Dina scenic Niece AR eal 23

2.3 OD vss eee eee nee eae a Rl 23

RFA a: TÔng QUANGG20:u0ruiaia0i0Gt6t0226000i.03kkE0iai06812-66áG0i0S84 23252: Su chẲhcs:⁄:¿ccCcCCGGG2610X20606 66660 RES24

DEB; -CclnloclkTTì:: súccxcccocsesosodiiietd6264i06ssidi6sasả 25

DSA ElOIWIGGcnseesiceebeiaeseorsseskoltsavaetedkeeeseesd 25 S'S (GI(KẪQÍMEÉDcsscaeeennieeeenoaedesooodedoseaeasuye=l 26

3.1.2, Phân loại động cơ bước -‹ -5-cscrcsseecee 30

3.2 KHOI DIEU KHIỂN ĐỘNG CƠ - 55-5555 322365<<2 34

TÀI ĐO DN ieee eddaooaaaeeooidseedaeaeaeeeosekeoneoaonadese 42

CHƯƠNG 4: THIET KE VA CHE TẠO BO THÍ NGHIỆM 44

42A Cai lar hes tha the sci stsiaeeeest canes ee ee 49

4235 Kbbi Gide (sible fing ce sitet aii 52

A26;; MạPfitqtdiHfÔNE(((22 1/2200 6642c6G 53

(G27: - Giáo tiên vanishes cine isaac 56

CHƯƠNG 5: KET QUA NGHIÊN CỨU 2- 2-2 22c ze2122725.252 58

5.1 HỘTRINGHI E6 cckiiccceioereaoeeeauaed 58

5.2 GUÁ TRÌNH BĂNG NHÍ ccicsstissascsercasiasnsasscrricaccamiansesasaarersas sens 59

Ly AMC NHI INNGsoiieiciedooeeỷaoceesoeeesoeee 59

SES TER A RT NEN keeueeneedeoateinisenreeeesreees=s=esi 59

53 ee) | iSERe=e=eee= 62

5.3.1 Thực hiện thí mghi8m c.ccccesccsse-sssssessssneeeensuensennnnnsgnnnseensnneesonneess 62

Ce NÊN OS a 625.4 NG ET: | 5, | eee 66

ESOT “TBR RNIN OUT MARINER 2n 1nressxonsi 66

SAD KẼ(QG((GNHÊH ods isconnss Se S 66

5.5, ĐÁNH GIA CHUNG VE BỘ THÍ NGHIEM CHE TẠO ĐƯỢC 69

RET LUAN VA KINNGN| sissies ES 71

DANH MỤC CONG TRINH CUA TAC GIA, ccsccssssessescssssecssssnneesesssnnecessennueeese 72

FALE THAN RRNA ssi csc cannabis 73

PHÙ DI t0 (00004604020060GGGIaGQ0GGUEGGGG0G0(C0EGGGiBiGscierc<eee 75

Vì xứ lý vá ví điễu kÌiẨN, se ccb2222-620212cG20106G010164áà6 4

Kiến trúc Von — Neumann 2- 2255 ou + xeczsecvarersrrrevee § Kiên trêc [BA Ì¿b:¿6ccsccuiáccuố 0010026 6012G80x242naa8ssi2 8

Các dạng sơ đồ chân PIC 16F877A .c.sccscsesssssssecsssessecsnessnsesneenaes 13

Pea OED | | ằăẰ———————— 19

Các dang sơ đồ chân của LM36 - 55s 20

Một số sơ đồ điện áp hoạt động của LM35 - 21Cảm biển áp suất MPXH6400A, -.-cs-ssccocseressecccosseesssnesecenasecsenness 21

LS - / 5 cc as ae CC ỐNG 27

Cấu tạo Cũng cơ DÔ (2 250062200062600222061006626 S2 30

Mặt cắt ngang động cơ bước từ trở - 5-55 cvxcccccce 31Mặt cắt ngang động cơ bước nam châm Vinh cửu 32Mặt cắt ngang động cơ bước lai - - 52 5555522xs 12c 32

Sơ đồ dau dây và mặt cắt ngang động cơ bước đơn cực 33

Sơ 46 đấu dây và mặt cắt ngang động cơ bước lưỡng cực 34

SỐ, c¡ ii D30 ' r NANO NSS 35

Chuỗi xung L297 ở chế độ nửa bước - 2 ss+ccse 38

Chuỗi xung L297 ở chế độ bình thường, - 2-52 38C®jốixi0e1297:0 để suy 38

Sư dải NHI se 2404246606 xsujae 39

Sơ đỗ chân IC S5S- 6202015100 ss 4I

Nguyên lý hoạt động IC 555 c22555<SSccxverrrre 42

Qua trình chế tạo bộ thi nghiệm ¿55-55522102 c5cse2 44Kiểm tra hoạt động của mạch trên phần mém mô phỏng Proteus .45

Mach in sau khi gia công va được han các linh kiện 45

Baia túi GỆ 0 HN eaeeisdebieedieesdasesaoeaase 46

Cảm biến nhiệt độ Checktemp ®1 HI 98509 47

Bồ trí thi nghiệm kiểm tra hoạt động của LM35 48

Sơ đỗ nguyên lý cảm biến dp suất -©ss©c-e+ 49

Hệ thống xilanh, piston và buông chứa nước 50

Cảm biến áp suất va hệ thống nút chặn . - 50

Trục nối và hệ thống bánh răng dẫn động - 51

Hệ thống hai công tắc hành trình s2 5©< vs 52

Sơ đồ nguyên ly khối điều khiển động cơ 53

Sơ đề nguyên lý mạch tạo dao động .5 95c 54

Nút nhắn điều khiển hoạt động của động cơ bước 55

Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với máy tính s %6

Giao diện chương trình giao tiếp với người dùng 57

Bộ thí nghiệm hoản chinh .cccccsssccsssesecssssesscccssvsteccessneeseneeseese 58

Kết quả thực nghiệm quá trình đẳng nhiệt .- 59Kết quả xử ly các thông số trang thái trong quá trình đẳng nhiệt 60

Tuyến tinh hoá mối liên hệ giữa áp suất vả thé tích 61

Kết quả thực nghiệm quá trình đăng tích -.s 63Kết quả xử ly các thông số trạng thái trong quá trình đẳng tich 64

Tuyến tinh hoá mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ tuyệt đối 65

Kết quả thực nghiệm quá trinh đẳng áp - s 66Kết quả xử lý các thông số trạng thái trong quá trình đẳng áp 67

Tuyến tinh hoá mối liên hệ giữa thé tích và nhiệt độ tuyệt đối .68

Cơ chế xử lý lệnh của vi điều khiển 5: 6c 55575:22 10

Các đặc tính nỏi bật của vi điều khiển PIC 16E877A 14Các thông số lam việc của MPXH6400A - 5 :5- 22

1š ae ẳăẰ=—-—-n-—— 25

Đặc điểm chuẩn giao tiếp RS23⁄2 - sec 27

Chức năng các chân của [C L297 - 5-2 35

Chức năng các chân 1C L298 .-scsscccessssesssvecscsversssseccoveeessveersneesees 39

Chúc găng cácchần KG GBS C0 2 00 6600A26120006x,á 4I

So sánh giá trị giữa hai cảm biến nhiệt độ (theo độ C) 48 Tinh toán số mol khí trong quá trình đẳng nhiệt 69

MỞ ĐÀU

1 Giới thiệu chung

Trong quá trình sử dụng các dụng cụ thí nghiệm hiện có để giảng dạy Nhiệt

Học chương trình Vật Lý trung học phổ thông, việc lấy số liệu nhiều lân các thông

số trạng thái (áp suất, thé tích, nhiệt độ) đồng thời và chính xác là rất khó khăn, đòi

hỏi phải thực hiện tỉ mi, tốn nhiều thời gian và công sức Do đó trong thực tế, giáo

viên rất ngại sử dụng các thí nghiệm cho tiết dạy của mình Ngoài ra, việc đôi mới

và ngày càng làm chính xác hơn các bộ thí nghiệm hiện có là một yêu cau cấp thiết

hiện nay [2] Việc chuyển đổi các bộ thí nghiệm từ thô sơ, thực hiện thủ công sang

hiện đại, tự động hoá và có độ chính xác cao không những giúp cho công tác giảng

dạy của giáo viên đơn giản, hiệu quả hơn mà còn góp phan giúp cho học sinh cảm

thấy hứng thú với môn học và nằm kiến thức vững vàng hơn

Trên cơ sở ứng dụng công nghệ vi điều khiển va cảm biến, đẻ tai này muốnhướng đến mục tiêu đa dạng hóa các bộ thi nghiệm, tạo ra những thiết bị thí nghiệm

mới có độ chính xác cao hơn, cung cấp kết quả tự động và nhanh chóng Bộ thínghiệm này sẽ giúp cho học sinh có cái nhìn sâu hơn về kiến thức đã được học cũng

như góp phan hỗ trợ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu của sinh viên và giảng

viên khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm TP Hò Chí Minh nói riêng vả giáo viên

các trường trung học phé thông và đại học trong nước nói chung

Từ những lí do trên, tôi quyết định thực hiện dé tài: “Ché tạo bộ thí nghiệm

kiểm chứng ba định luật thực nghiệm của chất khí có sử dụng vi điều khiến va cảm

biến".

2 Mục đích đề tài

- Chế tạo được bộ thi nghiệm có khả năng thu nhận và xử lý các thông số trạngthái nhanh chóng, chính xác; có cấu hình cơ học nhỏ gọn, én định; có khả năng giao

tiếp với máy tính nhằm thực hiện ba định luật thực nghiệm của chất khí, trong đó sử

dụng vi điều khiển PIC 16F877A và các cảm biến

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu kiến thức điện - điện tử, các loại linh kiện điện tử căn bản.

- Nghiên cứu kiến thức vi điều khiển nói chung và vi điều khiển PIC 16F877Anói riêng: cau trúc phan cứng, cách hoạt động của vi điều khiển, cách lập trình cho

vi điều khiển, các ứng dụng của vi điều khiến,

- Nghiên cứu các loại cảm biến phục vụ cho việc đo đạc thông số áp suất và

nhiệt độ: phạm vi đo đạc, mức độ chính xác, phương thức hoạt động, phương thức

giao tiếp với vi điều khiển

- Nghiên cứu cau tạo và hoạt động của động cơ bước đẻ xây dựng cơ cấu do

thể tích cho kết quả ôn định, có độ chính xác cao.

- Nghiên cửu cấu trúc ngôn ngữ lập trình C, lập trình giao tiếp với các loạicảm biến và kiểm tra hoạt động của mạch trên phan mềm mô phỏng Proteus

- Kiểm tra hoạt động của mạch trên testboard

- Viết chương trình giao tiếp với người dùng thông qua máy tính cá nhân trên

nên Visual Basic có khả năng thu nhận, xử lý trực tiếp và nhanh chóng các kết quả

đo đạc.

- Trên cơ sở đó, thiết kế và chế tạo được bộ thí nghiệm kiểm chứng ba định

luật thực nghiệm của chất khí.

- Đánh giá bộ thí nghiệm nhằm rút ra được ưu, nhược điểm của bộ thí nghiệm

đã chế tạo và đề xuất hướng cải tiễn phù hợp

4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Kiến thức điện - điện tử, ví điều khiển, cảm biến,

động cơ bước; thiết kế và chế tạo mạch điện tử

- Phạm vi nghiên cửu: Ba định luật thực nghiệm của chất khí

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Đọc vả nghiên cứu tải liệu về điện — điện

tử, vi diéu khiển, cảm biến, động cơ bước; quá trình thiết kế mạch điện tứ

- Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia; Nhờ giảng viên hướng dẫn và bạn bẻ

góp ý dé xây dựng so 46 và cấu tạo của bộ thí nghiệm.

- Phương pháp thực nghiệm: Kiểm tra cấu tạo vả hoạt động từng bộ phận của

bộ thí nghiệm trên testboard, rút ra ưu, nhược điểm, từ đó vẽ và thiết kế mach in.

- Phương pháp mô phỏng: Mô phỏng và tối ưu hoá mạch điện tử

CHUONG 1: VI DIEU KHIEN PIC

1.1 KHAI QUAT VE VI DIEU KHIEN

1.1.1 Tổng quan

Vi xử lý (Microprocessor) hay còn gọi là bộ vi xử lý la một linh kiện điện tử

có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính toán, xử lý va thay

đỏi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiệu quá đối với các

bai toán và hệ thống lớn [13] Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, không đòi hỏi

khả năng tính toán lớn thi việc ứng dụng vi xử lý cần được cân nhắc Mặc dù các bộ

vi xử lý được coi là những bộ máy tính toán mạnh mẽ, nhưng điểm yếu của chúng

là chúng không được thiết kế dé giao tiếp trực tiếp với các thiết bị ngoại vi Dé giao

tiếp với môi trường ngoại vi, vi xử lý phải cần thêm các mạch đặc biệt khác bên ngoài (bộ dao động, bộ chuyền đổi A/D, RAM, bộ nhớ chương trình, ) Kết qua là

hệ thống tạo thành khá phức tạp, chiếm nhiều không gian và giá thành cao, không

Vi một số nhược điểm trên, các nhà chế tạo đã tích hợp bộ vi xử lý với các

thành phan hỗ trợ, các mạch can thiết để kết nói vi xử lý với các thiết bị ngoại vi

vào một IC duy nhất được gọi là vi điều khiển (microcontroller), Vi điều khiển có

kha năng tương tự như vi xử lý nhưng có cấu trúc phan cing đơn giản hơn nhiều,

Vi điều khiển ra đời mang lại sự tiện lợi đối với người dùng, họ không cần nắm

vững một khói lượng kiến thức quá lớn như người dùng vi xử lý, kết cấu mạch điện

cũng trở nên đơn giản hơn vả có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị bên

ngoài Ví điều khiển tuy được xây dựng với cấu trúc phần cứng đơn giản hơn nhưng

thay vao lợi điểm này lả khả năng xử lý bị giới hạn (tốc độ xử lý chậm hơn va khả

năng tính toán ít hơn, dung lượng chương trình bị giới hạn) [13] Vi điều khiển sử

dụng đơn giản và có giá thành rẻ hơn nhiều so với vi xử lý, do đó nó được ứng dụng

rộng rai vào nhiều ứng dụng có chức năng đơn giản, không đòi hỏi tinh toán phức

tạp Vi điều khiển được ứng dụng trong các dây chuyên tự động loại nhỏ, các robot

có chức năng đơn giản, trong máy giặt, ôtô,

1.1.2 Phan loại vi điều khiển

1.1.2.1 Độ dài thanh ghi

Dựa vào độ dài của các thanh ghi và các lệnh của vị điều khiển mà người ta

chia vi diéu khiển thành các loại 8 bit [8], 16 bit [6] hay 32 bit [7] Các loại vi điều

khiển 16 bit do có độ dài lệnh lớn hơn nên các tập lệnh cũng nhiều hơn, phong phú

hơn Tuy nhiên bat cứ chương trình nào viết bằng vi điều khiển 16 bit chúng ta đều

có thé viết trên vi điều khiển 8 bit với chương trình thích hợp [6]

1.1.2.2 Kiến trúc CISC và RISC

Vi điều khiển CISC (Complex Instruetrion Set Computer) là ví điều khiển có

tập lệnh phức tap [13] Các vi diéu khiển này có một số lượng lớn các lệnh nên giúp

cho người lập trình có thẻ linh hoạt và dé dàng hơn khi viết chương trình.

Vi điều khiển RISC (Reduced Instruction Set Computer) là vi điều khiển có

tập lệnh đơn giản [13] Chúng có một số lượng nhỏ các lệnh đơn giản, do đó chúng

đòi hỏi phần cứng ít hơn, giá thành thấp hơn và nhanh hơn so với vi điều khiển

CISC Tuy nhiên nó đòi hỏi người lập trình phải viết các chương trình phức tạp vả nhiều lệnh hơn.

1.1.2.3 Kiển trúc Harvard và Von - Neumann

Kiến trúc Harvard sử dụng bộ nhớ riêng biệt cho chương trình va đữ liệu [13].Bus địa chỉ va bus dữ liệu độc lập với nhau nên quá trình truyền nhận dữ liệu đơn

giản hơn kiến trúc Von — Neumann.

Kiến trúc Von - Neumann sử đụng chung bộ nhớ cho chương trình va dit liệu

[13] Điều này làm cho vi điều khiển gọn nhẹ hơn, giá thành rẻ hơn

1.1.3 Cấu trúc tống quan của vi điều khiến

1.1.3.1, CPU

CPU (Central Processing Unit) la trái tim của hệ thong, là noi quan lí tat cả

các hoạt động của vi diéu khiển Bên trong CPU gồm:

- ALU (Arithmetic Logic Unit) là bộ thao tác trên các dữ liệu.

- Bộ giải mã lệnh và điều khiển, xác định các thao tác mà CPU cần thực hiện

- Thanh ghi lệnh IR, lưu giữ opcode của lệnh được thực thi.

~ Thanh ghi PC, lưu giữ địa chỉ của lệnh kế tiếp cần thực thi

- Một tập các thanh ghi dùng để lưu thông tin tạm thời

1.1.3.2, ROM

ROM (Read — Only Memory) là bộ nhớ dùng đẻ lưu giữ chương trình ROMcòn dùng dé chứa số liệu các bang, các tham số hệ thống, các số liệu cổ định của hệ

thống Trong quá trình hoạt động, nội dung ROM là có định, không thé thay đôi

Nội dung ROM chỉ thay đổi khi ROM ở chế độ xoá hoặc nạp chương trình.

1.1.3.3, RAM

RAM (Random — Access Memory) là bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ RAM dùng làm

môi trường xử lý thông tin, lưu trữ các kết quả trung gian vả các kết quả cuối cùng

của các phép toán, xử lý thông tin Nó cũng dùng để tổ chức các vùng đệm dit liệu,

trong các thao tác thu phát, chuyển đổi dữ liệu

1.1.3.4 BUS

BUS (Broadcard and Unknown Server) là các đường dẫn dùng dé di chuyển

đữ liệu, bao gồm: bus địa chỉ, bus dữ liệu vả bus điều khiến.

1.2 KHÁI QUÁT VE VI DIEU KHIỂN PIC

12.1 Tổng quan

PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thé tạm dich là

“máy tính thông minh khả trình” do hãng General Instrument đặt tên cho vi điều

khiển đầu tiên của họ PIC1650 Khi đó, PIC được thiết kế để dùng làm các thiết bị

ngoại vi cho vi điều khiển CP1600, vì vậy người ta gọi PIC là bộ điều khiển giao

tiếp ngoại vi — Periheral Interface Controller.

Năm 1985, General Instrument bán bộ phận vi điện tử của họ cho hãng

Microchip Technology, PIC được bể sung EEPROM để tạo thành một bộ điều

khiến vao ra khả trình Ngày nay có rất nhiều dòng PIC được sản xuất với hang loạt

các mạch giao tiếp với môi trường ngoại vi được tích hợp sẵn (USART, PWM,

ADC, ) với bộ nhớ chương trình từ 512 word đến 32k word [1, tr.1-4].

1.2.2 Kiến trúc PIC

Cấu trúc phần cứng của một vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng kiến

trúc: kiến trúc Von — Neuman và kiến trúc Harvard [ 1, tr.3-4].

122.1 Kiển trúc Von - Neuman

Hình 1.2 Kiến trúc Von — Neumann.

Đối với kiến trúc Von — Neuman, bộ nhớ dit liệu và bộ nhớ chương trình nằmchung trong một bộ nhớ, do đó ta có thé 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 lý

của CPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó, trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thể

tương tác với bộ nhớ dit liệu hoặc bộ nhớ chương trình Như vậy có thé nói kiến

trúc Von - Neuman không thích hợp với cấu trúc của một vi điều khiển

1222 Kiến trúc Harvard

Đối với kiến trúc Harvard, bộ nhớ đữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra

thành hai bộ nhớ riêng biệt Do đó trong cùng một thời điểm CPU có thẻ tương tác

với cá hai bộ nhớ Như vậy tốc độ xử lý của vi diéu khiển được cái thiện đáng kẻ.

Một điểm cần chú ý nữa lả tập lệnh trong kiến trúc Harvard có thể được tối ưu

tuỷ theo yêu cầu kiến trúc của vi điều khiển mả không phụ thuộc vảo cấu trúc dữ

liệu Ví dụ, đối với vi điều khiển dòng 16F, độ dai 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 lả bội số của | byte (do dit liệu được tô chức thành từng byte) Chính vi

vậy, hau hết các vi điều khiển ngày nay đều được xây dựng theo kiến trúc Harvard.

Vị 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 điều khiển được thiết kế theo kiến trúc Von - Neumann còn được gọi là viđiều khiển CISC (Complex Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh

phức tạp vì mã lệnh của nó không phải là một số cố định ma luôn là bội số của 8 bit.

1.2.4 Pipelining

Pipelining là cơ chế xứ lý lệnh của các họ vi điều khiển PIC Một chu kì lệnhcủa vi điều khiển bao gồm 4 xung clock Ví dụ, sử dụng bộ đao động có tần số4MHz thì xung lệnh sẽ có tần số IMHz Giả sử cỏ một đoạn chương trình như sau:

1 MOVLW 55h

2 MOVWF PORTB

3 CALL SUB_1

4 BSE PORT A, BIT 3

Quá trình xử lý lệnh của vi điêu khiển sẽ được thực thí như sau:

Bang 1.1 Cơ chế xử lý lệnh của vi điều khiển.

- CK4: Do lệnh 3 thực hiện gọi chương trình con SUB_! cần 2 chu ki xung

clock dé thực thi nên trong CK4, vi điều khiển tiếp tục thực thi lệnh CALL_SUB_I

- CKS: Thực thi lệnh 4.

Quá trình này được thực hiện tương tự cho các lệnh tiếp theo của chương

trình Thông thường, dé thực thi một lệnh ta cần một chu ki lệnh đẻ gọi lệnh đó vàmột chu kì xung clock để giải mã và thực thi lệnh Với cơ chế xử lý song songPipelining, mỗi lệnh xem như chỉ được thực thi trong một chu kì lệnh Đối với các

lệnh ma quá trình thực thi nó lam thay đổi giá trị thanh ghi PC (Program Counter)

thi can hai chu kì lệnh để thực thi vì phải thực hiện việc gọi lệnh ở địa chỉ thanh ghi

PC chỉ tới Sau khi đã xác định đúng vị trí lệnh trong thanh ghi PC, mỗi lệnh chí cần

một chu kì lệnh để thực thi xong.

1.2.5 Cac dòng vi điều khiến PICCác ki hiệu của vi điều khiển PIC:

- PIC 12xxxx: độ dài lệnh 12 bit.

- PIC 16xxxx: độ dai lệnh 14 bit.

- PIC 18xxxx: độ dai lệnh 16 bit.

~ PIC 24xxxx: độ dài lệnh 16 bit.

- PIC 32xxxx: độ dài lệnh 16 bit.

~€: PIC có bộ nhớ EPROM.

- F: PIC có bộ nhớ flash.

- LF; PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp.

~ LV: tương tự như LF, đây lả kí hiệu cũ.

Bên cạnh đó, một số vi điều khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có

thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC 16F887 là EEPROM, còn PIC 16F877A là

flash).

Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC dsPIC giống

như PIC 24 - là các vi điều khiển có độ dài lệnh 16 bit Ở Việt Nam phổ biến nhất

là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất.

1.2.6 Ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển PIC

Ngôn ngữ lập trình cho PIC rat đa dạng, được chia thành hai loại:

- Ngôn ngữ lập trình cắp thắp (hợp ngữ) như MPLAB được cung cấp miễn phi

bởi nha sản xuất Microchip.

- Ngôn ngữ lập trình cấp cao có nhiều loại, được phát triển trên ngôn ngữ C

như CCS, HTPIC, PICBasic, MikroBasic,

Việc sử dụng hợp ngữ giúp người lập trình hiểu rd cấu trúc bên trong của viđiều khiển PIC cũng như kha năng tối ưu hoá bộ nhớ của chương trình Tuy nhiên,

nó lại đỏi hỏi người lập trình phải có những kiến thức ving vàng vẻ vi điều khiển,

dong thời mat nhiều thời gian đẻ tiếp cận vả nâng cấp chương trình

Ngôn ngữ lập trình bậc cao CCS kế thừa tat cả các đặc điểm của ngôn ngữ C,

được xây dựng sẵn các hàm phục vụ điều khiển PIC, Ngoài ra, CCS còn có khả

năng kết hợp với hợp ngữ, giúp người lập trình dé dàng phát triển và nâng cắp ứng

dụng Do đó, dé tài này tập trung vào việc sử dụng ngôn ngữ lập trình vac cao CCS

dé nghiên cứu và ứng dụng.

1.2.7 Mach nạp vi điều khiển PIC

Đây cũng là một dòng sản phẩm rat đa dạng dành cho vi điều khiển PIC Cóthé sử dụng các mạch nạp được cung cấp bởi nhà sản xuất là hăng Microchip như:

PICSTART Plus, MPLAB ICD 2, MPLAB PM 3, PRO MATE II Có thể dùng các

sản phẩm này để nạp cho vi điều khiển thông qua chương trình MPLAB Dòng sảnphẩm chính thống này có ưu thé là nạp được cho tat cả vi điều khiển PIC, tuy nhiêngiá thành rất cao và thường gặp nhiều khó khăn trong quá trình mua sản phẩm

Ngoài ra do tính năng cho phép nhiều chế độ khác nhau, còn có rất nhiều

mạch nạp được thiết kế dành cho vi điều khiển PIC Có thể sơ lược một số mạch

nạp cho PIC như sau:

- JDM programmer: mạch nạp này dùng chương trình nạp Icprog cho phép

nạp các vi điều khiển PIC có hỗ trợ tính năng nạp chương trình điện áp thấp ICSP

(In Cireuit Serial Programming) Hầu hết các mạch nạp đều hỗ trợ tính năng nạp

chương trình nảy.

- WARRP-I3A và MCP-USB: hai mach nạp nảy giống với mạch nạp

PICSTART Plus do nha sản xuất Microchip cung cấp, tương thích với trình biêndịch MPLAB, nghĩa Ia ta có thê trực tiếp dùng chương trình MPLAB đẻ nạp cho vi

điều khiển PIC mà không cẩn sử dụng một chương trình nạp khác.

- PI6PRO40: mạch nạp nảy do Nigel thiết kế và khá nổi tiếng Ong còn thiết

kế cả chương trình nạp, tuy nhiên cũng có thé sử dung chương trình nạp Icprog.

- Mach nạp Universal cua Williem: đây không phải la mach nạp chuyên dụng

danh cho PIC như P16PRO40.

Các mach nạp kể trên có ưu điểm rat lớn là đơn giản, rẻ tiền, hoàn toản có thé

tự lắp ráp một cách dé dàng Tuy nhiên các mạch nạp trên hạn chế về số vi điều khiển được hỗ trợ và cần được sử dung với một chương trình nạp thích hợp.

1.43 VI DIEU KHIỂN PIC 16F877A

13.1 Sơ dé chân

Hình 1.4 Các dang sơ dé chan PIC 16F 877A (9, tr.3].

Nhà sản xuất Microchip cung cấp vi điều khiển PIC 16F877A dưới 3 dạng sơ

đỏ chân là 40-Pin PDIP, 44-Pin PLCC và 44-Pin TQFP được thể hiện như hình 1.4

PIC 16F877A loại 40-Pin PDIP la dạng thường gặp nhất tại thị trưởng Việt Nam vả

được sử dụng trong dé tai này Chức nang các chân vi điều khiển PIC 16F877A loại

40-Pin PDIP được trình bảy cụ thé trong bảng 1, phụ lục 1.

1.3.2 Đặc điểm

PIC 16F877A là vi điều khiển thuộc họ PICI6Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh

có độ dai 14 bit [9, tr.1] Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock

Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớ

chương trình là 8k x 14 bit {9, tr.1], bộ nhớ dit liệu 368 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu

EEPROM với dung lượng 256 byte [9, tr.1] PIC 16F877A có 5 công với tổng cộng

33 chân xudvnh§p số và 8 kênh chuyển đổi A/D.

Bang 1.2 Các đặc tinh nổi bật của vi điều khiển PIC 16F877A

- Công nghệ CMOS FLASH/EEPROM nguồn mức thấp

liệu lưu trữ trên 40 năm.

Bộ nhớ ~ Bộ nhớ dữ liệu 368 byte, 4 bank.

chương trình, | - Tất cả các câu lệnh thực hiện trong một chu kì lệnh, ngoại trừ

bộ nhở dữ liệu | một số câu lệnh rẽ nhánh thực hiện trong hai chu kì lệnh

- Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp.

- Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm.

- Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit

Serial Programming) thông qua hai chân.

- Chức năng bảo mật mã chương trinh.

- Chế độ Sleep.

- Timer0: bộ đêm 8 bit với bộ chia tan số 8 bit.

- Timerl: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thé thực hiện chức

ee ning dém non vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiến hoạt

và CCP động ở chê độ Sleep.

- Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ Postscaler

- Watchdog Timer với bộ dao động trong.

- Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rộng xung

1.3.3 Các khối chức năng của PIC 16F877A

Đề tài này không tập trung vào chỉ tiết từng chức năng khác nhau của vi điều

khiến PIC 16F877A mà chỉ tập trung vao những đặc điểm quan trọng, thiết yếu,

phục vụ cho quá trình chế tạo bộ dụng cụ thí nghiệm Các nội dung này bao gồm:

- Cong xuất nhập I/O.

~ Bộ định thời Timer.

- Ngắt (Interrupt).

- Bộ chuyển đổi tương tự - số ADC (Analog to Digital Converter).

- Giao tiếp không đồng bộ USART.

1.3.3.1 Cổng xuất nhập /O

Cổng xuất nhập (L/O port) chính la phương tiện ma vi điều khiển dùng để

tương tac với thé giới bên ngoải Một công xuất nhập cua vi điều khiển bao gồm

nhiều chân, tuỷ theo cách bế trí và chức năng của vi diéu khiến mà số lượng cổng xuất nhập va so lượng chân trong mỗi công có thé khác nhau Bên cạnh đó, do vi

điều khiển được tích hợp sẵn bên trong các đặc tính giao tiếp ngoại vi nên bên cạnhchức năng là cổng xuất nhập thông thường, một số chân xuất nhập còn có thêm các

chức năng khác để thể hiện sự tác động của các đặc tính ngoại ví [9, tr.41] Chức

năng của từng chân xuất nhập trong mỗi cổng có thể được xác lập va điều khiến

thông qua các thanh ghi SFR liên quan đến chân xuất nhập đó

1.3.3.2 Bộ định thời Timer

Vi điều khiển PIC 16F877A có ba bộ định thời là Timer0, Timer! và Timer2

[9, tr.53-63] Ngoài chức năng định thời, Timer còn có thể hoạt động như bộ đếm

(Counter) Trong để tài này, Timer được sử dụng như một bộ đếm, có nhiệm vụđếm các xung đi vào một chân cụ thể trên vi điều khiển [9, tr.58]

Khi bộ định thời hoạt động ở chế độ đếm (Counter), một chân chức năng trên

vi điểu khiển sẽ trở thành chân đầu vào xung của bộ đếm (chân RA4 đối với

Timer0, chân RCO đối với Timer1) Ở chế độ đếm giá trị thanh ghi TMR sẽ tăng lên

một đơn vị khi có một xung đến chân đầu vào của Timer đó Khi giá trị của TMRO

đạt giá trị tối đa, bit cờ của Timer được đưa lên mức 1 và TMR bị xoá, sau đó TMRtrở về 0 Dạng xung được xác định là sườn âm hay sườn dương phụ thuộc vào việc

cai đặt bít chọn dạng xung tương ứng trên thanh ghi của vi điều khiển.

1.3.3.3 Neat (Interrupt)

Ngất hiểu theo nghĩa đơn giản là các sự kiện ngẫu nhiên làm gián đoạn quá

trình của một sự kiện đang xảy ra [9, tr.5-24] Trong vi điều khiển PIC 16F877A có

đến 15 nguồn tạo ra hoạt động ngắt được điều khiển với thanh ghi INTCON, Dé tai

này sử dụng ham ngắt ngoải và hàm ngắt do sự thay đổi trạng thái các chân trong

công B dé điều khiển hoạt động của động cơ bước

- Ngắt ngoải dựa trên sự thay đổi trạng thái của chân RBO/INT (chân 33).

Cạnh tác động gây ra ngất có thẻ là cạnh lên hay cạnh xuống, được điều khiển bởi

bit INTEDG (thanh ghi OPTION_REG) vả được qui định bởi người lập trình Khi

có cạnh tác động thích hợp xuất hiện tại chân RBO/INT, cờ ngắt INTF được set bat

chap trạng thái của các bít điều khiển GIE và PEIE Ngat nay có khả năng đánhthức vi điều khiển tir chế độ sleep nếu bit cho phép ngắt được set trước khi lệnh

sleep được thực thi.

- Ngắt do sự thay đổi trạng thái các chân trong cổng B dựa trên sự thay đôi

trang thái của các chân RB4 - RB7 Ngắt nảy được điều khiến bởi bit RBIE (thanhghi INTCON), cờ ngắt của ngắt này là bit RBIF,

1.3.3.4 ADC

ADC (Analog to Digital Converter) là bộ chuyến đổi tin hiệu giữa hai dạng

tương tự va số [9, tr.127-133] Vi điều khiển PIC 16F877A có 8 ngõ vào analog

(RAO - RA4 và REO - RE2) Hiệu điện thế chuẩn VREF có thể được lựa chọn là

VDD, VSS hay hiệu điện thế chuẩn được xác lập trên hai chân RA2 và RA3 Kếtquả chuyển đổi từ tin hiệu tương tự sang tín hiệu số là 10 bit số tương img và được

lưu trong hai thanh ghi ADRESH và ADRESL.

1.3.3.5 Giao tiếp không dong bộ USART

USART (Universal Synchronous Asychronous Reciever Transmitter) la một

trong hai chuẩn giao tiếp nối tiếp (9, tr.11 1-125] USART còn được gọi là giao diện

giao tiếp nói tiếp SCI (Serial Communication Interface) Có thé sử dụng giao diện

nay cho các giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, với các vi điều khiển khác hay với

máy tính Các dang giao diện USART ngoại vi bao gồm:

- Không đồng bộ (Asynchronous).

- Đồng bộ (Master mode).

- Đồng bộ (Slave mode).

Hai chân của vi điểu khiển PIC 16F877A dùng cho giao tiếp nảy làRC6/TX/CK (chân 25) và RC7/RX/DT (chân 26) Ở chế độ không đồng bộ, chânRC6 đóng vai trỏ là chân truyền dữ liệu và chân RC7 là chân nhận dữ liệu Ở chế độđồng bộ, chân RC6 đỏng vai trò là chân truyền xung clock đồng bộ tín hiệu và chân

RC7 là chân truyền dữ liệu.

Dé tài nảy tập trung vào chuẩn giao tiếp USART không đồng bộ vi giao tiếp

giữa máy tính và vị điều khiển được thực hiện ở khoảng cách không quá lớn.

CHƯƠNG 2: CAM BIEN VÀ CÁC LINH KIEN ĐIỆN TỬ LIEN QUAN

Ngoài vi điều khiển PIC 16F877A đóng vai trò trung tâm, bộ thí nghiệm doi

hỏi phải có các cảm biến phục vụ đo đạc các thông số nhiệt độ và áp suất, đồng thời

yêu cầu phải thể hiện các thông tin nay đến người dùng Nội dung chương nảy để

cập đến cầu tạo và hoạt động của các cảm biến phục vụ quá trình đo đạc là cảm biến

nhiệt độ LM35, cảm biến áp suất MPXH6400A vả hai linh kiện điện tử liên quan đến việc thể hiện các thông số trạng thái đến người dùng là LCD và IC MAX - 232.

2.1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35

2.1.1 Tống quan

⁄

vỗEY.

Hình 2.1 Cam biến nhiệt độ LM35.

LM35 là một mạch cảm biến tích hợp đo nhiệt độ chính xác, có điện áp đầu ra

tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ trong nhiệt giai Celcius (độ C) [10, tr.1] Do đó, LM35

có một lợi thế hơn so với các cảm biến nhiệt độ tuyến tính hiệu chuẩn theo nhiệt

giai Kelvin lả người sử dụng không can phải trừ đi một lượng điện áp không đổi tại

từ đầu ra của nó dé có được nhiệt độ theo nhiệt giai Celcius Cảm biến LM35 khôngyêu cầu thêm bat ki sự hiệu chuẩn nao từ bên ngoài va cho độ chính xác vào khoảng

+1⁄4 °C ở nhiệt độ phòng và khoảng +% °C trong toản miễn từ -55 °C đến 150 °C [10,

tr.1] Cảm biến LM35 có trở kháng ra thấp, điện áp ngõ ra tuyến tinh và được hiệu chuẩn chính xác từ nhà sản xuất, do đó ta có thé thu nhận giá trị và điều khiển hoạt

động của nó rất dé dàng LM35 chỉ tiêu thụ dòng điện khoảng 60 pA, do đó nó toa

nhiệt rất thấp, thấp hơn 0,1 °C trong điều kiện không khí tĩnh [10, tr }

THƯ VIỆN

Trưởng Dai-Hoc Su-Phạm

TP HỖ-CHI-MINH

"Cane lt connected be c1 os0se pee (ON) MC * 9 Coven

Order Number LIM35M, LMIGAH, LM3%CH, LMISCAH or Top View

LM350H Order Number UM35DM See NS Package Number HQ3H See NS Package Number MOEA

“Tat = connected © he negeive pe (GMD)

Mote The UMIS0T giout be G0 89wx hen the Gecortreed LMOIOP

Order Number LM35OT Bee M3 Package Number TAQIF

Hình 2.2 Các dang sơ đỗ chân của LM35 (10, tr.2].

Dòng cảm biến nhiệt độ LM35 thông dụng nhất ở thị trường Việt Nam và

được sử dụng trong đẻ tai này là cảm biến LM35DZ, có sơ 46 chân dạng TO-92 với

các chân cụ thê:

- Chân | (chân VS): nối nguồn dương 5V.

- Chân 2 (chân VOUT); nối với ngõ vào bộ ADC của vi điều khiển.

- Chân 3 (chân GND): nối đất.

2.1.3 Hoạt động

LM35 có thể được sử dụng với chỉ một nguồn duy nhất hoặc kết hợp cả nguồn

đương và nguồn âm dé đo đạc được trong toàn miễn từ -55 °C đến 150 °C.

FIGURE 2 Full-Range Centigrade Temperature Sensor

Hình 2.3 Một số sơ đồ điện áp hoạt động của LM35 [10, tr.1].

2.2 CAM BIEN ÁP SUÁT MPXH6400A

2.2.1 Tổng quan

Hình 2.4 Cảm biến áp suất MP.XH6400A.

Cam biến áp suất MPXH6400A là sản phẩm của hãng Freescale

Semiconductor, là một cảm biến tích hợp trên chip (on-chip) có cấu hình nhỏ và độ

tin cậy cao, do đó đây lả một sự lựa chọn hợp lý và tiết kiệm cho các hệ thống đo

đạc áp suất tuyệt đối Cảm biến này kết hợp các công nghệ vi cơ tiên tiến, công

nghệ kim loại hoá mảng mỏng và công nghệ chế tạo bán dẫn lưỡng cực để tạo ra

một sản phẩm có độ chính xác cao và có tín hiệu điện thé ngõ ra ti lệ thuận với áp

lực tác dụng (4, tr l].

MPXH6400A đo đạc áp suất tuyệt đối trong khoảng từ 20 đến 400 kPa, cỏ sai

số tối da vào khoảng 1.5% trong khoảng nhiệt độ từ 0 °C đến 85 °C [4, tr.1] Cảm

biến này rất thích hợp cho các ứng dụng của vi điều khiển hoặc vi xử lý.

2.2.2 Cae thông số làm việc

Bang 2.1 Các thông số làm việc của MPXH6400A.

2.2.3 Hoạt động

Pressure (Reference to Sealed Vacazn) in Pa

Hình 2.4 Mới liên hệ giữa điện áp ngõ ra MPXH6400A và áp suất [4, tr4]

Cảm biển MPXH6400A có điện áp ngõ ra tỉ lệ thuận với áp suất (hình 2.4)

trong khoảng nhiệt độ từ 0 °C đến 85 °C theo hệ thức

Voure =E,(0.002421x p~0.00842) V (2.1)

Trong đó: p là áp suất môi trường; Vs = 5 V.

2.3 LCD

2.3.1 Tổng quan

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong

rất nhiều trong các ứng dụng của vi điều khiển LCD có rất nhiều ưu điểm so với

các thiết bị hiển thị khác:

- Khả năng hiển thị kí tự đa dang, trực quan (chữ, số va kí tự đỗ hoa)

- Dé dang đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều phương thức giao tiếp khác

nhau.

- Tn rat ít tài nguyên hệ thống.

2.3.2 Sơ đề chân

Chan VSS (chân 1) của LCD là chân nối đất Chân VDD (chân 2) nối nguồn

đương Chân VEE (chân 3) là chân chọn độ tương phản, chân này được điều chỉnh

thông qua một biến trở.

Chân RS (Register Select — chân 4) là chân dùng để chọn một trong hai thanh

ghi trong LCD, cy thé:

- Nếu RS = 0 thi LCD ở chế độ ghi lệnh như xoá man hình, bật tắt con trỏ.

- Nếu RS = | thì LCD ở chế độ ghi dữ liệu như hiển thị ký tự, chữ, số lên man

hình,

Chân R/W (Read-Write - chân 5) là đầu vào đọc/ghi, cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD khi R/W = 0 hoặc đọc thông tin từ LCD khi R/W = 1.

Chân cho phép E (Enable - chân 6) được sử dụng bởi LCD đề chốt dữ liệu của

nó Khi dữ liệu được đến chân dit liệu thì cần có một xung từ mức cao xuống mức

thấp ở chân này đề LCD chót đữ liệu, xung này phải có độ rộng tối thiểu 450 ns.

Chân D0 - D7 (chân 7 - chân 14) là các chan dữ liệu 8 bít, được dùng dé gửi

thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD, Đề hiển thị các

chữ cái va các con số lên LCD, ta gửi các mã ASCII của các chữ cái va các con sốtương ứng đến các chân này khi bật RS = I

Dich con trỏ sang trai | 6.

Dich con trỏ sang phải | 6.

Dịch hiền thị sang phải.

Dịch hiện thị sang trái.

Tat con trỏ, tắt hiện thị.

Bật con trỏ, bật hiển thị.

Bật hiện thị, tắt con trỏ.

Bật hiện thị, nhập nháy con trỏ.

Tắt hiền thị, nhập nháy con trỏ.

Dịch vị trí con trỏ sang trái.

Dịch vị trí con trỏ sang phải.

Dịch toàn bộ hiên thị sang trái.

Dịch toàn bộ hiện thị sang phải.

Đưa con trỏ vê dau dong thứ nhất.

Đưa con trỏ về đâu dòng thứ hai.

Đưa con trỏ vê dau dòng thứ ba.

Đưa con trỏ về dau dòng thứ tư.

Xác lập chức năng cho LCD.

w

7

Ic co

2.3.4 Khởi tạo LCD

Trước khi bắt đầu quá trình hiển thị một chuỗi ki tự nào đó, ta cần quá trìnhkhởi tạo để cải đặt các chế độ này Vi điều khiển thực hiện quá trình khởi tạo nay

bằng cách đưa đến LCD một chuỗi các lệnh Quá trình việc gửi một lệnh tử vi điều

khiển đến LCD bao gồm các bước sau:

1 Cho R/W = 0 dé xác định LCD ở chế độ ghi dữ liệu (thông thường chân nảy

được nói đất nên mặc định chân này ở mức 0).

2 Cho chân RS = 0 dé xác định đây lả lệnh mà vi điều khiển gửi xuống LCD.

3 Gửi mã lệnh xuống LCD theo các đường dit liệu (RDO — RD7 nếu dùng chế

độ 8 bit hoặc RD4 — RD7 nếu dùng chế độ 4 bit).

4 Dua chân E (chân cho phép) lên mức |,

5 Tạo trễ vài chu kì lệnh.

6 Đưa chân E xuống mức 0.

2.3.5 Ghi kí tự lên LCD

Sau khi thực hiện quá trình khởi tạo để gửi các lệnh cài đặt chế độ làm việc

của LCD, kí tự sẽ được hiển thị lên LCD bat kì khi nào vi điều khiến muốn gửi Quá

trình gửi kí tự gồm các bước sau:

24.

1 Cho R/W = 0 để xác định LCD ở chế độ ghi dữ liệu

2 Cho RS = | để xác định đây là ki tự mà vi điều khiển gửi xuống LCD

3 Gửi mã ASCII của kí tự cần hiển thị xuống LCD theo các đường dữ liệu

4 Dua chân E (chân cho phép) lên mức 1.

5 Tạo trễ vai chu kì lệnh.

6 Đưa chân E xuống mức 0

IC MAX-232

2.4.1 Chuẩn giao tiếp RS232

RS232 là chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối

nhiều nhất hai thiết bị với chiều dài kết nối lớn nhất cho phép đảm bảo đữ liệu là từ 12.5 m đến 25.4 m, tốc độ từ 20 kbit/s đến 115 kbit/s.

IC MAX - 232 (hình 2.6, 2.7) của hãng MAXIM là một vi mạch chuyên dùng

trong giao diện nối tiếp với máy tính thông qua chuẩn giao tiếp RS232 Chúng có

nhiệm vụ là bộ đệm trung gian chuyển đổi mức điện áp chuẩn TTL sang chuẩn

RS232 và ngược lại { 14, tr l ].

MAX - 232 là IC chạy ôn định và được sử dụng phố biến trong các mạch giao

tiếp chuẩn RS232, tích hợp trong đó hai kênh truyền cho chuẩn RS232 Mỗi đầu

truyền ra và công nhận tin hiệu đều được bảo vệ chống lại sự phóng tỉnh điện

Ngoài ra MAX - 232 còn được thiết kế với nguồn +5V cung cấp nguồn công suất

nhỏ.

CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ KHOI DIEU KHIỂN DONG CƠ

Việc sử dụng cám biến hoặc các linh kiện điện tử dé đo thé tích của một binhkhí hình trụ la rất khó khăn, do đó ta có thé đo thẻ tích bình một cách gián tiếp

thông qua phép đo chiều dai của bình Dé tải này trình bay một phương pháp dé đochiều đải của bình khí hình trụ bằng cách sử dụng động cơ bước Với phương pháp

nảy, ta có thé đo chiêu dài thông qua góc bước của động cơ, đồng thời phương pháp

nảy cũng giúp cho bộ thí nghiệm được tự động hoá hoàn toản, phục vụ tốt nhất cho

nhu cau sử dụng của người dùng.

Nội dung chương 3 dé cập khái quát cấu tạo và hoạt động của động cơ bước cũng như các IC nhằm điều khiển hoạt động của động cơ bước.

3.1 ĐỘNG CƠ BƯỚC

3.1.1 Tổng quan

Động co bude là một thiết bị điện - cơ dùng dé biến đổi xung điện một chiều

thành chuyên động quay cơ học rời rạc Góc quay và tốc độ quay tương ứng với số

xung và tần số xung điện cấp cho động cơ Mỗi một vòng quay của trục động cơđược thiết lập bởi một số lượng hữu hạn các góc bước, là góc quay của rotor mỗi

khí cuộn dây stator bị đảo cực tính.

Có nhiều loại động cơ bước với các độ phân giải góc quay (góc bước) khác

nhau Những động cơ “thô” thường có góc bước 90°, 30°, 15° hoặc 7.5”, Những

động cơ “mịn” hơn thường có góc bước 1.8° hoặc 0.72° Ngoài ra, bằng việc điều

khiển các tín hiệu xung điện một chiều với những tuần tự và giá trị thích hợp có thẻ

điều khiển động cơ quay được nửa bước hoặc thậm chí vi bước.

Động cơ bước thường được sử dụng trong diéu khiển bởi những ưu điểm:

- Góc quay tương ứng với số xung tín hiệu điều khiển.

~ Momen động cơ luôn ở mức danh định.

- Vị trí góc quay chính xác vì không có sai số tích luỹ ở mỗi góc bước.

- Dé dàng diéu khiển khởi động, dừng và đảo chiều quay.

- Không có chổi than nên làm việc tin cậy.

- Chi phí thấp

- Có một đải rộng vẻ độ phân giải góc quay.

Ngoài ra, động co bước có một số nhược điểm cần chú y khi sử dụng:

- Cộng hướng sẽ xảy ra khi điều khiển không đúng cách.

- Tốc độ quay không cao.

3.1.2 Phân loại động cơ bước

Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc rotor hoặc cách quấn

các cuộn dây trên stator [3, tr.3].

Dựa theo cấu trúc rotor, động co bước được chia thành 3 loại:

- Động cơ bước từ trở biến thiên.

- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.

- Động cơ bước lai.

Dựa theo cách quấn đây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại:

- Động cơ bước đơn cực.

~ Động cơ bước lường cực.

3.1.2.1 Động cơ bước từ tro biên thiên

Các động cơ bước từ trở biến thiên có rotor bằng thép mềm, rotor quay khi các

rằng trên rotor bị hút bởi các ring điện từ trên stator, Hoạt động nảy tương tự như hoạt động của cuộn solenoid Các rotor bằng thép có quán tính nhỏ hơn các loại

khác Điều này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn Tuy nhiên, vi rotor không có từ

tính nên không có lực từ dư khi động cơ không còn được cấp điện và rotor có thểquay tự do Thông thường, các góc bước của động cơ bước từ trở biến thiên là 7.5”hoặc 15°

Hình 3.2 Mặt cắt ngang động cơ bước từ trở

3.1.2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cứu

Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có

momen duy trì khi động cơ không còn được cấp điện Mỗi răng nam châm vĩnh cứu

được định hướng theo trục với các cực nam và bắc thay đổi Một số động cơ bước

có các nam châm được chèn vào stator để cải thiện trường điện từ và cung cấp

momen cao hơn Các nam châm được làm bằng hợp kim (gồm nhôm, nikel, cobalt)

hoặc các chất thuộc nhóm đất hiểm (samarium — cobalt) Các động cơ bước nam

châm vĩnh cửu đòi hỏi công suất vận hành nhỏ hơn các loại khác Chúng cũng có