mạch điều khiển các thiết bị trong nhà

LỜI NÓI ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật điện tử cũng được chú trọng phát triển nhiều hơn. Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đời sống xã hội ngày càng phát triển dựa trên những ứng dụng của khoa học vào đời sống. Vì vậy mà công nghệ điện tử mang tính tự động ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Sự phát triển của máy tính đã mở rộng các ứng dụng của vi điều khiển. Các bộ vi điều khiển với đa tính năng đang đựơc ứng dụng rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội. Hầu hết các thiết bị được điều khiển tự động, từ các thiết bị văn phòng cho đến các thiết bị trong gia đình đều dùng các bộ vi điều khiển nhằm đem lại sự tiện nghi cho con người trong thời đại công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Vì vậy việc ghép nối giữa máy tính và vi điều khiển ngày càng trở lên quan trọng. Để ứng dụng môn Ghép nối máy tính và giao diện vào thực tế, sau một thời gian nghiên cứu học tập dưới sự giảng dạy của các thầy cô giáo trong khoa về kiến thức chuyên ngành, đồng thời cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy Phạm Ngọc Hưng, chúng em đã tiến hành thiết kế và hoàn thành đề tài: “Mạch điều khiển các thiết bị trong nhà”. Với sự lỗ lực của bản thân nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của chúng em còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai xót. Chúng em rất mong nhận được sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến của thầy cô cùng các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên, tháng 12 năm 2008 Nhóm sinh viên thực hiện: 1. Trần Thị Hạt 2. Nguyễn Thị Thắm 3. Bùi Quyết Thắng 4. Phạm Thị Xoa Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án: Ghép nối máy tính và giao diện Khoa Điện-Điện tử NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hưng Yên,tháng 12 năm 2008 Giáo viên hướng dẫn GVHD:Phạm Ngọc Hưng 2 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án: Ghép nối máy tính và giao diện Khoa Điện-Điện tử MỤC LỤC Phần I: Lý thuyết tổng quan 5 I.Tổng quan về VĐK PIC16F876A 5 1. Giới thiệu họ vi điều khiển PIC 5 2. Vi điều khiển PIC 16F876A 5 II.Giao tiếp cổng nối tiếp 19 1. Cấu trúc cổng nối tiếp 19 2. Truyền thông giữa hai nút 22 3. Truy xuất trực tiếp thông qua cổng 24 Phần II. Thiết kế phần cứng 28 I.Sơ đồ khối và chức năng các khối 28 1. Sơ đồ khối 28 2. Chức năng các khối 28 II.Sơ đồ nguyên lý 31 Kết luận 32 GVHD:Phạm Ngọc Hưng 3 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án: Ghép nối máy tính và giao diện Khoa Điện-Điện tử Ý TƯỞNG THIẾT KẾ Thiết kế hệ thống điều khiển các thiết bị trong nhà(quạt, máy bơm nước, tivi, đèn) dùng vi điều khiển thông qua máy vi tính. Hệ thống bao gồm: Khối nguồn, khối xử lý trung tâm dùng PIC16F876A, khối điều khiển, khối hiển thị và cuối cùng là khối truyền thông. Khi tác động vào các nút ON hoặc OFF trên khối điều khiển thì tương ứng với nó là việc cấp hoặc ngắt nguồn cho các thiết bị sử dụng. Khi tín hiệu được truyền đi, sau một thời gian cảm biến sẽ nhận tác động và báo lại cho máy tính biết là vi điều khiển đã nhận được thông tin hay chưa. Nếu chưa nhận được máy tính sẽ truyền lại thông tin đó lần nữa, khi nào vi điều khiển nhận được mới thôi. Quy trình thực hiện ý tưởng Bước 1: Nghiên cứu & khảo sát PIC16F876A, tạo giao diện trên Visuabasic 6.0. Bước 2: Sau khi đã nghiên cứu và khảo sát xong chúng ta bắt đầu thực hiện xây dựng mạch theo đúng nhiệm vụ của đề tài. Xây dựng các khối: Khối nguồn, khối xử lý trung tâm dùng PIC16F876A, khối điều khiển, khối hiển thị và cuối cùng là khối truyền thông. Việc truyền và nhận dữ liệu từ máy tính và vi điều khiển như thế nào chính là vấn đề mà chúng ta cần quan tâm. Bước 3: Vẽ mạch thực hiện thiết kế mạch in (board) mục đích bố trí linh kiện hợp lý từ sơ đồ trải (sơ đồ nguyên lý ) mục đích giảm kích thước mô hình, đề tài được thực hiện trên phần mềm Eagle. Từ các bước trên ta có thể bắt đầu tiến hành thực hiện viết thuyết minh và thực hiện ý tưởng. GVHD:Phạm Ngọc Hưng 4 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án: Ghép nối máy tính và giao diện Khoa Điện-Điện tử PHẦN I: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN I. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 1. Giới thiệu họ vi điều khiển PIC PIC là viết tắt của” Programable Intelligent Computer”, tạm dịch là “ máy tính thông minh khả trình” của hãng Microchip. Hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới sử dụng PIC khá rộng rãi. Các tính năng đa dạng họ vi điều khiển PIC cũng như các công cụ hỗ trợ lập trình cho họ vi điều khiển PIC không ngừng được cải tiến và phát triển đã tạo ra những ứng dụng vượt trội của PIC so với các họ vi điều khiển khác. Các kí hiệu của họ vi điều khiển PIC: PIC 12xxxx: độ dài lệnh 12 bit PIC 16xxxx: độ dài lệnh 14 bit PIC 18xxxx: độ dài lệnh 16 bit C: PIC có bộ nhớ EPROM ( chỉ có 16C84 là EEPROM) F: PIC có bộ nhớ Flash LF: PUC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp LV: tương tự như LF Bên cạnh đó có một số vi điều khiển có kí hiệu 16Fxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ 16F877 là EEPROM, 16F877A là flash). Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC. Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ Vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất. 2. Vi điều khiển PIC 16F876A 2.1. Mô tả cấu trúc PIC 16F876A thuộc họ 16F87x sử dụng công nghệ tích hợp cao RISC CPU, có thể lập trình với 35 câu lệnh đơn giản. Tất cả các câu lệnh thực hiện trong 1 chu kì lệnh ngoại trừ một số câu lệnh rẽ nhánh thực hiện trong 2 chu kì lệnh. Tốc độ hoạt động xung đồng hồ vào GVHD:Phạm Ngọc Hưng 5 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án: Ghép nối máy tính và giao diện Khoa Điện-Điện tử là DC-20MHz với chu kì lệnh thực hiện trong 200ns. Bộ nhớ chương trình Flash 8Kx14 words. Bộ nhớ Ram là 368x8 bytes, bộ nhớ dữ liệu EFPROM 256x8 bytes. Khả năng của bộ vi xử lí này : + Khả năng ngắt (lên tới 14 nguồn ngắt trong và ngắt ngoài) + Ngăn nhớ Stack được phân chia làm 8 mức + Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp. + Nguồn khởi động lại (POR). + Bộ tạo xung thời gian (PWRT) và bộ tạo dao động (OST) + Bộ đếm xung thời gian (WDT) với nguồn dao động trên chip (nguồn dao động RC) hoạt động đáng tin cậy. + Có mã chương trình bảo vệ. Có bảng lựa chọn dao động + Phương thức cất giữ SLEEP. + Công nghệ CMOS FLASH/EEPROM nguồn mức thấp, tốc độ cao. + Thiết kế hoàn toàn tĩnh. Mạch chương trình nối tiếp có hai chân. + Xử lý đọc/ghi tới bộ nhớ chương trình. + Dải điện thế hoạt động rộng: 2.0V ÷ 5.5V. Nguồn sử dụng hiện tại 25mA. + Dãy nhiệt độ công nghiệp và thuận lợi. + Công suất tiêu thụ thấp: < 0.6mA với 5V, 4MHz 20µA với 3V, 32 kHz < 1µA nguồn dự phòng. Các đặc tính nổi bật của thiết bị ngoại vi trên chip: + Timer0: 8 bít của bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước + Timer1:16 bít của bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước, có khả năng tăng trong khi ở chế độ Sleep qua xung đồng hồ được cung cấp bên ngoài. + Timer2: 8 bít của bộ định thời, bộ đếm với 8 bít của hệ số tỷ lệ trước, hệ số tỷ lệ sau. + Có 2 chế độ bắt giữ, so sánh, điều chế độ rộng xung (PWM) GVHD:Phạm Ngọc Hưng 6 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án: Ghép nối máy tính và giao diện Khoa Điện-Điện tử + Chế độ bắt giữ 16 bít, tốc độ 12,5 ns, chế độ so sánh với 16 bít, tốc độ giải quyết cực đại là 200ns, chế độ điều chế độ rộng xung với 10 bít. + Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự với 10 bít. + Cổng truyền thông nối tiếp SSP với SPI phương thức chủ và I 2 C(chủ/phụ) + Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ(USART/SCL) có khả năng phát hiện 9 bít địa chỉ. + Cổng phụ song song (PSP) với 8 bít mở rộng, với RD, WR, và CS điều khiển. Sơ đồ các chân của PIC 16F876: 2.2. Sự tổ chức bộ nhớ PIC 16F876A PIC 16F87A có 3 khối bộ nhớ: bộ nhớ chương trình FLASH, bộ nhớ dữ liệu RAM, bộ nhớ EEPROM. a) Tổ chức bộ nhớ chương trình FLASH và Stack nhớ PIC 16F876 có một bộ đếm chương trình 13 bít và có 8Kx14 từ mã của bộ nhớ chương trình FLASH, được chia thành 4 trang mỗi trang 2Kx14 từ mã. Khi Reset địa chỉ bắt đầu thực hiện chạy là 0000h, vectơ ngắt bắt đầu 0004h. Stack có 8 mức dùng để lưu địa chỉ lệnh thực hiện tiếp theo sau lệnh CALL và khi xảy ra ngắt. Bản đồ bộ nhớ chương trình và các ngăn xếp: GVHD:Phạm Ngọc Hưng 7 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án: Ghép nối máy tính và giao diện Khoa Điện-Điện tử Sơ đồ khối chức năng của PIC 16F876: GVHD:Phạm Ngọc Hưng 8 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án: Ghép nối máy tính và giao diện Khoa Điện-Điện tử b) Tổ chức bộ nhớ dữ liệu RAM RAM là bộ nhớ có thể đọc và ghi, nó không lưu dữ liệu khi mất điện, bộ nhớ RAM của PIC 16F876A có 4 bank, mỗi bank có dải địa chỉ 0-7FH(128 byte) trên các bank những thanh ghi đa mục đích, hoạt động như một RAM tĩnh (General purpose register), và những thanh ghi chức năng đặc biệt (Special function registers) ở vùng địa chỉ thấp. Bít RP1(Status <6>) và bit RP0(Status <5>) dùng để lựa chọn bank làm việc. GVHD:Phạm Ngọc Hưng 9 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án: Ghép nối máy tính và giao diện Khoa Điện-Điện tử  Các thanh ghi đa mục đích (General purpose register): các thanh ghi này được truy cập bằng cả hai cách trực tiếp hoặc gián tiếp qua thanh ghi FSR, tổng cộng có 368 byte.  Các thanh ghi chức năng đặc biệt: các thanh ghi này được dùng bởi CPU và các khối ngoại vi để điều khiển sự hoạt động theo yêu cầu của thiết bị. Sau đây là một số thanh ghi đặc biệt quan trọng:  Các thanh ghi trạng thái STATUS: có 4 thanh ghi trạng thái trên 4 dãy, tại các địa chỉ 03h, 83h, 103h, 183h. Các thanh ghi này cho biết trạng thái của phần tử logic toán học ALU, trạng thái Reset, trạng thái của các bít lựa chọn dãy thanh ghi cho bộ nhớ dữ liệu  Các thanh ghi lựa chọn OPTION_REG: có 2 thanh ghi lựa chọn tại các địa chỉ 81h và 181h, các thanh ghi này có thể đọc hoặc ghi, nó chứa đựng nhiều bit điều khiển khác nhau để xác định hệ số định trước TMR0/hệ số định sau WDT, ngắt ngoài INT, TMR0, các điện áp treo trên cổng B  Các thanh ghi INTCON: có 4 thanh ghi INTCON tại các địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh. Các thanh ghi này có thể đọc và ghi, chứa đựng nhiều sự cho phép và các bit cờ cho việc tràn thanh ghi TMR0, các ngắt thay đổi cổng RB và chân các ngắt ngoài RB0/INT.  Thanh ghi PIE1: Tại địa chỉ 8Ch, chứa đựng các bit cho phép riêng lẻ cho các ngắt ngoại vi.  Thanh ghi PIR1: Tại địa chỉ 0Ch, chứa đựng các bit cờ riêng lẻ cho các ngắt ngoại vi.  Thanh ghi PIE2: Tại các địa chỉ 8Dh, chứa đựng các bit cho phép riêng lẻ cho các ngắt ngoại vi CCP2, ngắt xung đột tuyến SSP và EEPROM ghi các hoạt động ngắt  Thanh ghi PCON (Power Control): Chứa bit cờ cho phép phân biệt giữa việc Reset hệ thống để Reset MCLR ngoại với Reset WDT  PCL và PCLATH: Chương trình đếm chỉ rõ địa chỉ của lệnh tiếp theo được thực hiện. PC có độ rộng 13 bit, byte thấp được gọi là thanh ghi PCL (có thể đọc hoặc ghi), byte cao được gọi là thanh ghi PCH . GVHD:Phạm Ngọc Hưng 10 [...]... Equipment) và DCE (Data Communication Equipment) DCE là các thiết bị trung gian như MODEM còn DTE là các thiết bị tiếp nhận hay truyền dữ liệu như máy tính, PLC, vi điều khiển, … Việc trao đổi tín hiệu thông thường qua 2 chân RxD (nhận) và TxD (truyền) Các tín hiệu còn lại có chức năng hỗ trợ để thiết lập và điều khiển quá trình truyền, được gọi là các tín hiệu bắt tay (handshake) Ưu điểm của quá trình... có tác dụng điều khiển hoạt động của tất cả các thiết bị Khi VĐK nhận được tín hiệu tác đông thì nó sẽ xử lý và điều khiển các thiết bị hoạt động 2.4 Khối truyền thông - Khối này có tác dụng là cầu nối để truyền tín hiệu giữa VĐK và máy tính qua RS232 Max232 có tác dụng tương thích nguồn giữa VĐK với máy tính 2.5 Khối hiển thị GVHD: Phạm Ngọc Hưng 31 - Khối này có tác dụng báo các thiết bị đã được bật... chiều giữa máy tính và ngoại vi, có các ưu điểm sau: - Khoảng cách truyền xa hơn truyền song song - Số dây kết nối ít - Có thể truyền không dây dùng hồng ngoại - Có thể ghép nối với vi điều khiển hay PLC (Programmable Logic Device) - Cho phép nối mạng - Có thể tháo lắp thiết bị trong lúc máy tính đang làm việc - Có thể cung cấp nguồn cho các mạch điện đơn giản Các thiết bị ghép nối chia thành 2 loại: DTE... phân chia kết nối các thiết bị ngoại vi cho việc set chính xác các bit TRIS Sơ đồ khối chân RC RC và chân RC của cổng C 2.4 Các bộ Timer của chip Bộ vi điều khiển PIC 16F876 có 3 bộ Timer đó là: Timer 0, Timer 1, Timer2 a) Bộ Timer0 Là bộ định thời hoặc bộ đếm có những ưu điểm nổi bật sau: + 8 bit cho timer hoặc bộ đếm + Có khả năng đọc và viết + Có thể dùng đồng hồ bên trong hoặc bên... bit PHẦN II: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG I.SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG CÁC KHỐI GVHD: Phạm Ngọc Hưng 28 1 Sơ đồ khối: Khối nguồn Khối điều khiển Khối xử lý trung tâm Khối hiển thị Khối truyền thông 2 Chức năng các khối: 2.1 Khối nguồn - Nguồn đầu vào là nguồn xoay chiều được đưa qua biến áp sau đó cho qua cầu chỉnh lưu đưa vào chân IN của IC7805 để lấy ra nguồn 5V cung cấp cho toàn mạch 2.2 Khối điều khiển GVHD:... có các chân là chân ra Việc đọc cổng A chính là đọc trạng thái của các chân, việc viết phải qua các chốt của cổng Các chân của cổng A chủ yếu sử dụng nhận tín hiệu tương tự hoặc các chân vào/ra Riêng chân RA4 có thể đa hợp với chân vào bộ Timer 0 và khi đó nó trở thành chân RA4/T0CKI Chân này như một đầu vào của Trigger Schmitt và nó mở đầu ra Các chân khác của cổng A là chân vào bộ TTL Việc điều khiển. .. gởi lại CTS 3 Truy xuất trực tiếp thông qua cổng Các cổng nối tiếp trong máy tính được đánh số là COM1, COM2, COM3, COM4 với các địa chỉ như sau Tên Địa chỉ Ngắt Vị trí chứa địa chỉ COM1 3F8h 4 0000h:0400h COM2 2F8h 3 0000h:0402h COM3 3E8h 4 0000h:0404h COM4 2E8h 3 0000h:0406h Giao tiếp nối tiếp trong máy tính sử dụng vi mạch UART với các thanh ghi cho trong bảng sau: Offset DLAB R/W Tên 0 W THR Transmitter... có thể đặt trên chân chọn Cổng C đa hợp với việc vận hành thiết bị ngoại vi Chân của cổng C thông qua bộ đệm Trigger Schmitt đầu vào Khi chế độ I2C hoạt động, thì các chân cổng PORTC (4:3) có thể được sắp xếp với mức I2C thường hoặc với mức SMBUS bằng cách sử dụng bit CKE (SSPSTART) là bit 6 của thanh ghi SSPSTART Khi vận hành các thiết bị ngoại vi bằng việc xác định bit TRIS của mỗi chân cổng C... vào của Trigger Schmitt và nó mở đầu ra Các chân khác của cổng A là chân vào bộ TTL Việc điều khiển các chân này thông qua việc đặt hay xoá các bít của thanh ghi ADCON1 Thanh ghi TRISA điều khiển trực tiếp các chân của cổng A, khi sử dụng các chân này để nhận tín hiệu tương tự vào ta phải chắc chắn rằng các bít của thanh ghi TRISA đã được đặt rồi Sơ đồ khối chân RA3:RA0, chân RA5, và chân RA4/TOCK1 của... tính và giao diện c) Các trang bộ nhớ chương trình PIC16F876A có 8Kx14 PLASH các lệnh CALL, GOTO chỉ cung cấp 11 bit địa chỉ cho phép rẽ nhánh được 2K của một trang bộ nhớ chương trình, 2 bit cao được cung cấp bởi 2 bit 3,4 của PCLATH do vậy tuỳ việc thiết lập các bit 3,4 của PCLATH trước khi lệnh CALL, GOTO thực hiện cho phép rẽ nhánh tới các trang bộ nhớ khác nhau Chú ý các lệnh RETURN, RETFIE . hết các thiết bị được điều khiển tự động, từ các thiết bị văn phòng cho đến các thiết bị trong gia đình đều dùng các bộ vi điều khiển nhằm đem lại sự tiện nghi cho con người trong thời đại. tính và giao diện Khoa Điện-Điện tử Ý TƯỞNG THIẾT KẾ Thiết kế hệ thống điều khiển các thiết bị trong nhà( quạt, máy bơm nước, tivi, đèn) dùng vi điều khiển thông qua máy vi tính. Hệ thống bao gồm:. rộng các ứng dụng của vi điều khiển. Các bộ vi điều khiển với đa tính năng đang đựơc ứng dụng rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội. Hầu hết các thiết