PIC là viết tắt của “ Programable Intellegent Computer”, có thể tạm dịch là “ Máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Intrusment đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ: PIC 1650 được thiết kế dùng làm thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600. Vi điều khiển (VĐK) này sau đó được nghiên cứu và phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC như ngày nay.
Trang 1LỜI MỞ ĐẦU
I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong xã hội hiện nay, một xã hội phát triển và phồn vinh, một thời mà công nghệ điện tử không thể thiếu trong mọi gia đình và doanh nghiệp Nghành điện tử công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng trong sản xuất cũng như đời sống hiện nay Các ứng dụng của nó đã được đi vào thực tiển như: mạch đo nhiệt độ, đo độ ẩm, mạch quang báo…
Trong đó ta có thể nhận thấy ứng dụng của mạch vi điều khiển dùng cảm biến được sử dụng rất rộng rãi trong hầu hết các doanh nghiệp cũng như mọi gia đình Trên nền tảng đó, em chọn đề tài giao tiếp cảm biến áp suất BMP180 với PIC16F887 với hi vọng hiểu rỏ hơn về hoạt động của cảm biến và xa hơn là tạo nền tảng giao tiếp với các cảm biến khác
II MỤC ĐÍCH TÌM HIỂU
Ứng dụng kiến thức đi vào thực tiễn
Bổ sung kiến thức còn thiếu
III GIỚI HẠN VẤN ĐỀ
Do thời gian và kiến thức có hạn nên trong quá trình nghiên cứu chưa thể tối ưu hóa được mạch
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Lời cảm ơn đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy cô dạy tại trường ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu suốt thời gian qua
Nhưng đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TRƯƠNG NGỌC ANH,
đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo cho em trong thời gian qua, và tạo điều kiện cho
em hoàn thành tốt đồ án môn học
Trang 3NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Trang 4
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Trang 5
2 TẠI SAO LÀ PIC MÀ KHÔNG LÀ CÁC HỌ VI ĐIỀU KHIỂN KHÁC
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển 8051, Motorola 68HC, AVR, ARM,…Ngoài họ 8051 được hướng dẫn căn bản ở môi trường đại học, bản thân người viết đã lựa chọn họ vi điều khiển PIC để mở rộng kiến thức và phát triển các ứng dụng trên công cụ nầy vì các nguyên nhân sau:
- Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng ở thị trường Việt Nam
- Giá thành không quá đắt
- Có đầy đủ tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập
- Là một sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điều khiển mang tính truyền thống 8051
- Số lượng người sử dụng họ vi điều khiển PIC hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới ngày càng tăng Điều này tạo nhiều thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượng ứng dụng mở đã được phát triển thành công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn…
- Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công cụ lập trình, nạp chưng trình từ đơn giản đến phức tạp,…
- Các tính năng đa dạng của vi điều khiển PIC, và các tính năng này không ngừng được phát triển
2.1 KIẾN TRÚC CỦA 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 Havard
Trang 6Hình 1 cấu trúc Von Neuman
Đối với kiến trúc Havard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai
bộ nhớ riêng biệt Do đó trong một thời điểm, CPU có thể tương tác với cả hai bộ nhớ, như vậy tốc độ của vi điều khiển được cải thiện đáng kể
Trang 7Một điểm cần lưu ý nữa là tập lệnh trong kiến trúc Havard có thể được tối ưu tùy theo yêu cầu của kiến trúc vi điều khiển mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu
Ví dụ với dòng điều khiển PIC16F, độ dài lệnh luôn là 14 bit (khi dữ liệu được tổ chức thành từng byte), còn với kiến trúc Von Neuman, độ dài lệnh luôn là bội số của byte (do dữ liệu được tổ chức thành từng byte)
2.2 CÁC DÒNG PIC VÀ CÁCH LỰA CHỌN VI ĐIỀU KHIỂN PIC
Các ký hiệu của vi điều khiển PIC:
- PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit
- PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit
- PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit
- C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có PIC16C84 là có bộ nhớ EEPROM)
- F: PIC có bộ nhớ flash
- LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp
- LV: tương tự như LF, đây là ký hiệu cũ
- Bên cạnh đó, một số vi điều khiển có ký hiệu xxFxxx là EEPROM, còn có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash) Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển mới là dsPIC
Ở Việt Nam phổ biến nhất là vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất
Cách lựa chọn một vi điều khiển PIC phù hợp:
- Trước hết ta cần chú ý số chân của vi điều khiển PIC cần thiết cho ứng dụng Có nhiều vi điều khiển PIC có số lượng chân khác nhau, thậm chí có VĐK chỉ có 8 chân, ngoài ra còn có các vi điều khiển PIC 28, 40, 44,… chân
- Nên lựa chọn VĐK có bộ nhớ flash để có thể nạp xóa chương trình được nhiều lần hơn
- Tiếp theo cần chú ý các khối chức năng được tích hợp sẵn trong VĐK, các
chuẩn giao tiếp bên trong
- Sau cùng chú ý đến bộ nhớ chương trình mà VĐK cho phép
- Ngoài ra, mọi thông tin về lựa chọn VĐK PIC có thể được tìm thấy trong cuốn sách “ Select PIC guide” do nhà sản xuất Microchip cung cấp
2.3 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CHO PIC
Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng Ngôn ngữ lập trình cấp thấp có MPLAB (được cung cấp miễn phí bởi nhà sản xuất Microchip) Các ngôn ngữ lập trình cấp cao hơn có C, VB, Pascal,… ngoài ra còn có một số ngôn ngữ lập trình được phát triển dành cho PIC như CCS,MikroC,…
Trang 8Đây cũng là một dòng sản phẩm rất đa dạng dàng cho VĐK PIC Có thể sử dụng các mạch nạp được nhà sản xuất Microchip cung cấp như: PICSTART plus,
MPLAB ICD 2, MPLAB PM 3, PRO MATE II Có thể dùng các sản phẩm này để nạp cho VĐK thông qua chương trình MPLAB Dòng sản phẩm chính thống này
có ưu điểm là nạp được cho tất cả các VĐK PIC, tuy nhiên giá thành cao và gặp nhiều khó khăn trong quá trình mua sản phẩm
Ngoài ra do tính năng cho phép nhiều chế độ nạp khác nhau, còn có rất nhiều mạch nạp được thiết kế dành cho VĐK PIC Có thể sơ lược một số mạch nạp PIC 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
circuit Serial Programming) Hầu hết mạch nạp đều hỗ trợ tính năng nạp chương trình này
WARP-13A và MCB-USB: hai mạch nạp này giống với PICSTART plus do nhà sản xuất Microchip cung cấp, tương thích với trình biên dịch MPLAB, nghĩa là ta
có thể dùng trực tiếp MPLAB để nạp cho vi điều khiển PIC mà không cần sử dụng một chương trình nạp khác, chẳng hạn như Icprog
P16PRO40: mạch nạp này do Nigel thiết kế và cũng khá nổi tiếng Ông còn thiết
kế cả chương trình nạp, tuy nhiên ta có thể sử dụng chương trình nạp Icprog
Mạch nạp Universal của Williem: đây không phải là mạch nạp chuyên dùng cho PIC như P16PRO40
Các mạch nạp kể trên có ưu điểm rất lớn là đơn giản, rẻ tiền, hoàn toàn có thể tự lắp ráp dễ dàng và mọi thông tin về sơ đồ mạch nạp, cách thiết kế, thi công, kiểm tra và chương trình nạp đều dễ dàng tìm được và download miễn phí từ mạng Internet Tuy nhiên các mạch nạp trên có nhược điểm là hạn chế về số vi điều khiển PIC được hỗ trợ Bên cạnh đó, mỗi mạch nạp cần được sử dụng một chương trình nạp thích hợp
Hiện nay tại Việt Nam mạch nạp phổ biến cho PIC là PICKIT2
II VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F887
1 SƠ ĐỒ CHÂN VÀ HÌNH DẠNG THỰC TẾ
Trang 9Hình 3 sơ đồ chân vi điều khiển PIC 16F887
Hình 4 hình dạng thực tế của vi điều khiển PIC 16F887
2 MỘT VÀI THÔNG TIN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F887
Trang 10Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16xxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kỳ xung clock Tốc độ hoạt động tối
đa cho phép là 20Mhz với một chu kỳ lệnh là 200ns Bộ nhớ flash chương trình là
8192 words và bộ nhớ dữ liệu là 368 bytes SRAM + 256 bytes EEPROM 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 nhớ 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 rộng xung
-Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronuos Serial Port), ISP 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
-14 kênh chuyển đổi ADC 10 bit
-2 bộ so sánh
Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:
-Bộ nhớ flash có khả năng ghi xóa được 100 000 lần
-Bộ nhớ EEPROM có khả năng ghi xóa được 1 000 000 000 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 chân 2
-Watchdog Timer với bộ dao động trong
-Chức năng bảo mật mã chương trình
Trang 113 SƠ ĐỒ KHỐI VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F887
Hình 5 sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F887
4 TỔ CHỨC BỘ NHỚ
Trang 12Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC 16F887 bao gồm bộ nhớ chương trình (Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (data memory)
4.1 Bộ nhớ chương trình
Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC 16F887 là bộ nhớ flash, dung lượng là
8 Kword (1 word = 14 bit) và được phân thành nhiều trang (từ page0 đến page3) Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8x1024 = 8192 lệnh (vì mỗi lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 14 bit = 1 word)
Để mã hóa được địa chỉ của 8 Kword chương trình, bộ đếm chương trình có dung lượng 13 bit Khi vi điều khiển được reset bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000H (Reset vector) Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004H (Interrupt vector)
Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa bởi
bộ đếm chương trình Bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau:
Hình 6 bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC 16F887
Trang 134.2 Bộ nhớ dữ liệu
Bộ nhớ dữ liệu của PIC và bộ nhớ EEPROM được chia ra làm nhiều bank Đối với
vi điều khiển PIC 16F887 thì bộ nhớ dữ liệu được chia là 4 bank Bank được chọn phụ thuộc vào bit RP1 và RP0 (bit thứ 6 và bit thứ 5) của thanh ghi trạng thái status
Các thanh ghi SFR thường xuyên được sử dụng (ví dụ như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở tất cả các bank của bộ nhớ dữ liệu, giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh chương trình Sơ đồ cụ thể của bộ nhớ dữ liệu vi điều khiển PIC 16F887 như sau:
Trang 14Hình 7 các bank thanh ghi trong bộ nhớ dữ liệu của vi điều khiển PIC 16F887
Trang 154.3 Các cổng ra vào của PIC:
Port A: có 6 bit (tương ứng với 6 chân RA0 – RA5) các chân của cổng A có tích
hợp một số chức năng ngoại vi, nếu một thiết bị ngoại vi được enable thì cổng này
sẽ không hoạt động như một cổng vào ra
Bình thường Port A sẽ là một cổng vào ra 2 chiều Thanh ghi xác định chiều tương ứng của các chân Port A là thanh ghi TrisA Các bit ở thanh ghi TrisA bằng 1 sẽ
xác định các chân ở Port A là đầu vào và ngược lại sẽ là đầu ra
Port B: rộng 8 bit (tương ứng với chân RB0 - RB7) là một cổng vào ra 2 chiều
Thanh ghi quy định chiều của Port B là thanh ghi TrisB Thiết lập các thanh ghi
TrisB bằng 1 sẽ làm cho cổng B là cổng vào và ngược lại sẽ là cổng ra
Port C: rộng 8 bit (tương ứng với các chân RC0 – RC7), bình thường nó là một
cổng vào ra 2 chiều Thanh ghi quy định chiều của cổng này là thanh ghi TrisC
Các chân RC3, RC4 dùng để kết nối, truyền nhận thông tin với các thiết bị ngoại
vi
Port E: rộng 3 bit (RE0 – RE2), được cấu hình là đầu ra hoặc đầu vào Port E có
thể là đầu vào điều khiển I/O khi bit PSPSTATUS (TrisE.4) được xác lập
Port D: rộng 8 bit ( RD0 – RD7), nó có thể là cổng vào hoặc ra
Thanh ghi điều khiển xuất nhập là TRISD
Thanh ghi PORTD: chứa giá trị các pin trong Port D
Trang 16Trong đó:
Hình Sơ đồ khối của RD < 4: 0 > Hình Sơ đồ khối của RD < 7: 5>
5 TIMER0
Là một trong 3 bộ đếm hoặc bộ định thời của vi điều khiển PIC 16F887 Timer0 là
bộ đếm 8 bit được kết nối với bộ chia tần số (prescaler) 8 bit Cấu trúc của Timer0
cho phép ta lựa chọn xung clock tác động và cạnh tích cực của xung clock Ngắt
Timer0 sẽ xuất hiện khi Timer0 bị tràn Bit TMR0IE (INTCON < 5) là bit điều
khiển của Timer0 TMR0IE = 1 cho phép ngắt Timer0 tác động, TMR0IE = 0
không cho phép ngắt Timer0 tác động Sơ đồ khối của Timer0 như sau:
Trang 17Hình 8 Sơ đồ khối Timer0
OPTION_RES
Muốn cho Timer0 hoạt động ở chế độ Timer ta CLEAR bit T0SC (OPTION_RES
< 5 >), khi đó giá trị thanh ghi TMR0 sẽ tăng theo từng chu kỳ xung đồng hồ (tần
số vào Timer0 = ¼ tấn số oscillator) Khi giá trị Timer0 từ FFH trở về 00H, ngắt
Timer0 sẽ xuất hiện Thanh ghi TMR0 cho phép ghi và xóa được giúp ta ấn định
thời điểm ngắt Timer0 xuất hiện một cách linh động
Muốn Timer0 hoạt động ở chế độ counter ta SET bit T0SC (OPTION_RES < 5 >)
Khi đó xung tác động lên bộ đếm được lấy từ chân RA4/TOCK1 Bit T0SE
Trang 18(OPTION_RES < 4 >) cho phép lựa chọn cạnh tác động vào bộ đếm Cạnh tác động sẽ là cạnh lên nếu T0SE = 0 và sẽ là cạnh xuống nếu T0SE = 1
Khi thanh ghi TMR0 bị tràn, bit TMR0IF (INTCON < 2 >) sẽ được SET Đây chính là cờ ngắt của Timer0 Cờ ngắt này phải được xóa bằng chương trình trước khi bộ đếm bắt đầu thực hiện lại quá trình đếm Ngắt Timer0 không thể “đánh thức” vi điều khiển từ chế độ sleep
Bộ chia tần số (prescaler) được chia sẽ giữa Timer0 và WDT (Watchdog Timer), điều đó có nghĩa là nếu prescaler được sử dụng cho Timer0 thì WDT sẽ không có được sự hỗ trợ của prescaler và ngược lại Prescaler được điều chỉnh bởi thanh ghi OPTION_REG Bit PSA (OPTION_REG < 3 >) xác định đối tượng tác động của prescaler Các bit PS2:PS0 (OPTION_REG<2:0>) xác định tỷ số chia tần số của prescaler Xem lại thanh ghi OPTION_REG để xác định lại một cách chi tiết về các bit điều khiển trên
Các lệnh tác động lên giá trị thanh ghi TMR0 sẽ xóa chế độ hoạt động của
prescaler Khi đối tượng tác động là Timer0, tác động lên giá trị thanh ghi TMR0
sẽ xóa prescaler nhưng không làm thay đổi đối tượng tác động của prescaler Khi đối tượng tác động là WDT, lệnh CLR WDT sẽ xóa prescaler, đồng thời prescaler
sẽ ngưng tác vụ hỗ trợ cho WDT
Các thanh ghi điều khiển liên quan đến Timer0 bao gồm:
TMR0 (địa chỉ 01H, 101H): chứa giá trị đếm của Timer0
INTCON (địa chỉ 0BH, 8BH, 10BH, 18BH): cho phép ngắt hoạt động (GIE và PEIE)
OPTION_REG (địa chỉ 81H, 181H): điều khiển prescaler
III LCD
LCD là gì?
- Màn hình tinh thể lỏng (liquid crystal display, LCD) là loại thiết bị hiển thị cấu
tạo bởi các tế bào (các điểm ảnh) chứa tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực của ánh sáng và do đó thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua khi kết hợp với các kính lọc phân cực Chúng có ưu điểm là phẳng, cho hình ảnh sáng, chân thật và tiết kiệm năng lượng
LCD là loại chỉ thị thụ động, tiêu thị năng lượng rất nhỏ và có tỉ số tương phản tốt
Ngoài ra có những tính chất thông dụng sau đây:
Trang 19 Không tự phát ra ánh sáng và phụ thuộc vào ánh sáng xung quanh và ánh sáng nền
Có ánh sáng khuếch tán
Hoạt động ở dạng trong suốt hoặc phản chiếu
Thông dụng nhất là loại Neumatic (NLC), loại chất lỏng này trong suốt Khi
nó được áp điện trường lớn sẽ xuất hiện những ion di chuyển xuyên qua phá
vỡ cấu trúc thông thường dạng tinh thể Vì vậy chất lỏng được phân cực trở nên chắn sáng, có màu đen sậm hơn so với xung quanh Khi điện trường mất
đi, chất lỏng trở về dạng tinh thể cũ và trở nên trong suốt trở lại
Cấu tạo cụ thể của LCD gồm có một vật liệu tinh thể lỏng NLC có bề dày khoảng 10 mm được kẹp giữa hai miếng thủy tinh Mặt thủy tinh được phủ một lớp mỏng kim loại (oxide thiếc) cho ánh sáng xuyên qua, được dùng làm bản cực mặt trước, bản cực mặt sau cũng thực hiện như vậy Còn loại LCD phản chiếu thì bản cực mặt sau cho phản chiếu sáng
Lớp vỏ bọc LCD được cách điện và hàn kín lại
Hình 9 LCD
LCD có những đặc điểm sau:
Điện trường cần thiết cho LCD hoạt động thông thường 104 V/cm Do đó điện áp 10v cho LCD có bề dày 10 mm Vật liệu NLC có điện trở rất lớn (1010 ohm) cho nên dòng để cho LCD hoạt động rất nhỏ khoảng 10 mA/cm2 và công suất hoạt động 10 mW/cm2 LCD là thiết bị họat động ở tốc độ chậm, thời gian để dẫn vài mili giây và tắt vài