NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A VÀO TRONG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HOÁ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A VÀO TRONG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HOÁ. Từ các thông tin trên các diễn đàn Internet và các trung tâm học tập thực hành, cho thấy nhu cầu học tập và nghiên cứu cũng như tự tìm hiểu về nhiều lĩnh vực trong ngành điện tử nói chung, tự động hoá nói riêng là rất cao.

NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A VÀO

TRONG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HOÁ

Chuyên nghành : Kỹ thuật viễn thông

Mã số : 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - NĂM 2013

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN NGỌC MINH

(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN NGỌC MINH

(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Quá trình làm luận văn tôi

đã đọc, tìm hiểu, tham khảo nhiều báo cáo luận văn của các khóa trước và internet, tuy nhiên tôi không sao chép hoàn toàn, nguyên mẫu bất cứ một tài liệu, một luận văn nào Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên

Nguyễn Văn Phương

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Từ các thông tin trên các diễn đàn Internet và các trung tâm học tập thực hành, cho thấy nhu cầu học tập và nghiên cứu cũng như tự tìm hiểu về nhiều lĩnh vực trong ngành điện tử nói chung, tự động hoá nói riêng là rất cao Trong nhiều lĩnh vực được quan tâm, có một lĩnh vực về vi điều khiển được quan tâm rất nhiều hiện nay đó là vi điều khiển PIC Việc tìm hiểu và ứng dụng hết khả năng của nhiều loại PIC là cả một quá trình dài lý thú và hữu ích, vì sự thuận tiện, tinh gọn, khả năng phát triển cũng như sự đa dạng các dịng sản phẩm phù hợp nhiều quy mơ ứng dụng của nó Chính điều này em đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA PIC 16F877A VÀO TRONG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HÓA” Nhằm giới thiệu cho mọi người cách sử dụng và các ứng dụng, sự thuận tiện của PIC trong thực tế

2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu chung về cấu trúc và thuật toán vi điều khiển PIC16F877A

- Ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A trên thực tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: PIC16F877A

4 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát các nghiên cứu, tài liệu liên quan để thu thập thông tin về cơ sở lý thuyết từ nhiều nguồn (tài liệu, sách giáo trình, Internet… )

- Tổng hợp các kết quả nghiên cứu các bài ví dụ, mô phỏng để thu nhập dữ liệu

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN PIC

1.1 Tổng quan về PIC

PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là

“máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho

vi điều khiển CP1600 Vi điềukhiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và

từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC, AVR, …

Tuy nhiên tôi chon PIC vì

- Có đầy đủ các tính năng như các họ vi điều khiển khác

- Rất dễ mua ở Việt Nam

- Giá thành rẻ

1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F877A

Hình 1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F877A

1.2.1 Một vài thông số về vi điều khiển PIC16F877A

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài

14 bit 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 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O

Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:

Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep

Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler

Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung

Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C

Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD,

WR, CS ở bên ngoài

Các đặc tính Analog 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit

Hai bộ so sánh

Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:

Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần

Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần

Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm

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 2 chân

Watchdog Timer với bộ dao động trong

Chức năng bảo mật mã chương trình

Chế độ Sleep

Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau

1.2.2 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A

PORTA

PORTA gồm có 6 chân Các chân của PortA ta lập trình để có thể thực hiện được chức năng “hai chiều” xuất dữ liệu từ vi điều khiển ra ngoại vi và nhập dữ liệu từ ngoại vi vào vi điều khiển

Ngoài ra, PORTA còn có các chức năng quan trọng sau :

- Ngõ vào Analog của bộ ADC : thực hiện chức năng chuyển từ Analog sang Digital

- Ngõ vào điện thế so sánh

- Ngõ vào xung Clock của Timer0 trong kiến trúc phần cứng: thực hiện các nhiệm

vụ đếm xung thông qua Timer0…

- Ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port)

PORTB

PORTB có 8 chân Cũng như PORTA, các chân PORTB cũng thực hiện được 2 chức năng input và output Hai chức năng trên được điều khiển bới thanh ghi TRISB Khi muốn chân nào của PORTB là input thì ta set bit tương ứng trong thanh ghi TRISB, ngược lại muốn chân nào là output thì ta clear bit tương ứng trong TRISB

Thanh ghi TRISB còn được tích hợp bộ điện trở kéo lên có thể điều khiển được bằng chương trình

PORTC

PORTC có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới sự điều khiển của thanh ghi TRISC tương tự như hai thanh ghi trên

Ngoài ra PORTC còn có các chức năng quan trọng sau :

- Ngõ vào xung clock cho Timer1 trong kiến trúc phần cứng

- Bộ PWM thực hiện chức năng điều xung lập trình được tần số, duty cycle: sử dụng trong điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ vv…

- Tích hợp các bộ giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART

PORTD

PORTD có 8 chân Thanh ghi TRISD điều khiển 2 chức năng input và output của PORTD tương tự như trên PORTD cũng là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port)

PORTE

PORTE có 3 chân Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE Các chân của PORTE có ngõ vào analog Bên cạnh đó PORTE còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP

1.2.3 Timer 1

Sơ đồ khối của Timer1:

Hình 2.4 Sơ đồ khối của Timer1.

1.2.4 Timer 2

Timer 2 là bộ định thời 8 bit và được hỗ trợ bởi hai bộ chia tần số prescaler va postscaler Thanh ghi chứa giá trị đếm của Timer 2 là TMR2 Bit cho phép ngắt Timer 2 tác động là TMR2ON (T2CON<2>)

Hình 2.5 Sơ đồ khối Timer2

Timer2 còn được hỗ trợ bởi thanh ghi PR2 Giá trị đếm trong thanh ghi TMR2 sẽ tăng từ 00h đến giá trị chứa trong thanh ghi PR2, sau đó được reset về 00h Khi reset thanh ghi PR2 được nhận giá trị mặc định FFh

1.2.5 ADC

ADC (Analog to Digital Converter) là bộ chuyển đổi tín hiệu giữa hai dạng tương

tự và số.PIC16F877A có 8 ngõ vào analog (RA4:RA0 và RE2:RE0) Hiệu điện thế chuẩn VREF có thể được lựa chọn là VDD, VSS hay hiệu điện thể chuẩn được xác lập trên hai chân RA2 và RA3

1.2.5.1 Thiết lập các thông số cho bộ chuyển đổi ADC

Chọn ngõ vào analog, chọn điện áp mẫu (dựa trên các thông số của thanh ghi ADCON1)

Chọn kênh chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0)

Chọn xung clock cho kênh chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0)

Cho phép bộ chuyển đổi AD hoạt động (thanh ghi ADCON0)

1.2.5.2 Thiết lập các cờ ngắt cho bộ AD

Clear bit ADIF

Set bit ADIE

Set bit PEIE

Set bit GIE

Hình 2.6 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC

1.3 Các giao thức

1.3.1 Giao thức nối tiếp (USART)

USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) là một trong hai chuẩn giao tiếp nối tiếp USART còn được gọi là giao diện giao tiếp nối tiếp nối tiếp SCI( Serial Communication Interface) Có thể sử dụng giao diện này cho các giao tiếp với các thiết bị ngọai vi, với các vi điều khiển khác hay với máy tính Các dạng của giao diện USART ngọai vi bao gồm:

Bất động bộ( Asynchronous)

Đồng bộ- Master mode

Đồng bộ- Slave mode

Hai pin dùng cho giao diện này là RC6/TX/CK và RC7/RX/DT, trong đó RC6/TX/CK dùng để truyền xung clock (baud rate) và RC7/RX/DT dùng để truyền data Trong trường hợp này ta phải set bit TRISC<7:6> và SPEN (RCSTA<7>) để cho phép giao diện USART

1.3.2 Giao tiếp I2C

Ngày nay trong các hệ thống điện tử hiện đại, rất nhiều IC hay thiết bị ngoại vi cần phải giao tiếp với các IC hay thiết bị khác – giao tiếp với thế giới bên ngoài Với mục tiêu đạt được hiệu quả cho phần cứng tốt nhất với mạch điện đơn giản, Phillips được phát triển một chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây được gọi là I2C I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter Intergrated Circuit – Bus giao tiếp giữa các IC với nhau

Hình 1.3.2 BUS I2C và các thiết bị ngoại vi

Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ duy nhất để phân biệt, nó còn được cấu hình l thiết bị chủ (master) hay tớ (slave) Tại sao lại có sự phân biệt này? Đó là vì trong một bus I2C thì quyền điều khiển thuộc về thiết bị chủ (master) Thiết bị chủ nắm vai trị tạo xung đồng hồ cho toàn hệ thống, khi giữa hai thiết bị chủ/tớ giao tiếp thì thiết bị chủ có nhiệm vụ tạo xung đồng hồ và quản lý địa chỉ của thiết bị tớ trong suốt quá trình giao tiếp Thiết bị chủ giữ vai trị chủ động, còn thiết bị tớ giữ vai trị bị động trong viêc giao tiếp

Hình 1.3.3 Truyền nhận dữ liệu giữa chủ/tớ

Chương 2 - VI ĐIỀU KHIỂN TRONG DÂY CHUYỀN TỰ

ĐỘNG HÓA.

2.1 Giới Thiệu dây chuyền

Dây chuyền tự động hóa được giới thiệu trong bài là dây chuyền sản xuất loa điện thoại, trước khi đi vào giới thiệu về dây chuyền tôi xin giới thiệu qua về sản phẩm

mà dây chuyền làm ra

2.1.1 Giới thiệu về loa

Loa được cấu tạo từ 5 linh kiện cơ bản là Maglet, Plate, Frame, Coil, Daiframe

Hình 2.1.1 Sơ đồ cấu tạo của loa

2.1.1.1 Nam châm - Magnet

Hình 2.1.1.1 Magnet

Magnet là thành phần chính để tạo ra từ trường trong loa điện thoại Nó được làm từ một loại sắt non, sau khi được nạp từ tính nó sẽ chở thành một khối nam châm

Chức năng tạo giao động khi dòng điện chạy qua Voice coil

2.1.1.2 Tấm chắn trên Top – Plate

Hình 2.1.1.2 Tấm chắn trên Top – Plate

Top-Plate là một tấm sắt được lắp ở trên Magnet, nó cùng với nam châm và Yoke tạo lên một mạch từ tính trong loa điện thoại

2.1.1.3 Khung Frame

Hình 2.1.1.3 Khung Frame

Khung – Frame là bộ phận sử dụng để đỡ toàn bộ các thành phần khác của loa như màng loa, cuộn tiếng, khung từ tính… Và hình dạng của nó sẽ chính là hình dáng bên ngoài của một chiếc loa.Trên khung có bốn vấu làm nhiệm vụ cố định loa vào điện thoại, làm cho loa không bị di chuyển

Ngoài ra sáu lỗ trên Frame để đưa luồng không khí từ trong màng ra, hai chân tiếp xúc với nguồn tín hiệu đưa vào từ điện thoại và mặt sau (Yoke) của loa cùng với nam châm tạo thành một khung từ tính

2.1.1.3 Cuộn dây – Voice Coi

Hình 2.1.1.3 Cuộn dây voice coil

Voice coil có hai chức năng chính đó là truyền dòng điện (cùng với từ trường tạo nên lực tác động lên màng) và truyền các rung động cơ học tới màng

2.1.1.4 Màng – Diaphragm

Hình 2.1.1.4 Màng đai

Diaphragm khi dao động sẽ biến các rung động cơ học thành dao động âm thanh Nó giữ cho Voice coil dao động theo phương thẳng đứng Xương cá của Dia

giữ cho màng đủ độ cứng, không bị méo khi dao động.Ngoài ra nó còn ngăn cách giữa hai lớp không khí bên trong và bên ngoài của loa

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của Loa

Hình 2.1.2 Mô phỏng nguyên lý hoạt động của loa

Loa động hoạt động dựa trên nguyên tắc một cuộn dây đặt trong một từ trường mạnh của nam châm Khi có dòng điện âm tần chạy qua, cuộn dây sẽ dao động Do cuộn dây được nối với màng loa nên các dao động này được truyền ra không khí, tác động vào người nghe

Một bộ phận quan trọng gọi là màng rung (hoặc màng loa) Màng rung là nơi

âm thanh được phát ra để đến với tai người nghe Tuỳ từng loại loa khác nhau mà nguyên lý làm rung màng rung là khác nhau

Đa số các loa màng rung được gắn với một cuộn dây, cuộn dây này được định vị trong khe hẹp có từ trường mạnh được sinh ra giữa hai cực của một nam châm vĩnh cửu Khi cho dòng điện tín hiệu đi qua cuộn dây thì cuộn dây xuất hiện lực từ làm rung nó, sự rung động của cuộn dây sẽ làm chuyển động màng loa

Khi ta cho dòng điện chạy qua cuộn tiếng, cuộn tiếng sẽ tạo ra một từ trường

và từ trường của cuộn tiếng sẽ bị từ trường của nam châm đẩy làm cho cuộn tiếng chuyển động, nếu ta đưa dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn tiếng thì cuộn tiếng sẽ chuyển động quanh vị trí cân bằng với tần số bằng tần số đưa vào

2.2 Sơ đồ dây chuyền tự động hóa

Máy quấn Voil Coil

Máy ghép Top Plate + Magnet

Máy ghép (Top Plate + Magnet) + Frame

Máy ghép (Top Plate + Magnet + Frame) +VoilCoil

Máy Hàn

Máy tạo màng đai

Máy kiểm tra màng

đai

Thành phẩm OK

Máy quấn Voil Coil Máy quấn Voil Coil Máy quấn Voil Coil

Hình 2.2.1 Sơ đồ dây chuyền tự động hóa trên thực tế

2.2.1 Chức năng của dây chuyền

Chức năng chính của dây chuyền là Lắp ráp các linh kiện để tạo thành 1 chiếc Loa hoàn chỉnh Chức năng của từng máy như sau

Hình 2.2.1.1 Máy quấn voice coil

- 5 Máy Void Coil có nhiệm vụ quấn các vòng dây lại với nhau tạo thành cuộn dung Do thời gian 1 máy làm không đủ sản lượng cấp cho máy ghép lên phải

sử dụng 5 máy Voice Coil

Sau khi quấn song voice coil nhờ hệ thống băng Tải chuyển voice coil lên máy ghép, tại đây máy ghép này sẽ ghép Top Plate với Magnet sau đó ghép cụm này với Frame và cuối cùng là ghép Void Coil vào trong

-

Hình 2.2.1.2 Công đoạn ghép Top Plate với magnet

Kế đến toàn bộ được chuyển sang máy Hàn LWF để hàn dây lần 1, tiếp

đó phủ kem thiếc lên bề mặt mối hàn và qua công đoạn hàn Lazer để làm trắc mối hàn

Hình 2.2.1.3 Công đoạn hàn lần 1

Hình 2.2.1.4 Công đoạn hàn lần 2

- Công đoạn tiếp theo là máy tạo màng đai, khi úp màng đai vào Frame thì màng đai rất to, chính vì vậy cần phải cho Loa qua công đoạn cuối cùng là cắt màng đai Để tạo thành 1 chiếc Loa hoàn chỉnh

Hình 2.2.1.5 Công đoạn cắt màng đai

2.3 Vai trò của Pic trong dây chuyền tự động hóa.

2.3.1 Chuyển đổi các tín hiệu điện

- Trong dây chuyền tự động hóa có rất nhiều loại sensor khác nhau, có loại đầu ra

12 (Vol), có loại đầu ra là 0 (vol ) có loại đầu ra là 5 (Vol ), thậm chí đầu ra sensor

là 1 chuỗi xung dạng 0101001011 …… Tuy nhiên thì đầu vào bộ điều khiển chính PLC thì chỉ có 1 dạng điện áp là 0 ( vol) chính vì vậy cần có 1 hệ thống sử lý các tín hiệu Sensor đưa về sau đó mới đưa về vi mạch chính để sử lý dữ liệu

Ví dụ: Chuyển đổi tín hiệu sensor đầu ra là 5V thành 0 Vol

Hình 2.3.1 Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu điện

2.3.2 Điều khiển tốc độ động cơ

Bất cứ dây chuyền nào cũng cần phải có động cơ để tạo momen quay, họ có thể sử dụng động cơ bước, động cơ secvo, hay động cơ điện 1 chiều … Sử dụng trong hệ thống băng tải, máy nghiền, máy gắn chip ….tuy nhiên thì ở mỗi công đoạn thì tốc

độ quay của động cơ đều khác nhau, chính vì vậy họ cần sử dụng vi điều khiển Pic

để điều khiển các lại động cơ này