nghiên cứu phát triển dòng UPS online có thời gian chuyển mạch ngắn nhất phù hợp với các thiết bị có độ nhạy về điện cao

Trang 1

CHƯƠNG DẪN NHẬP

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, các thiết bị điện

đã dần phổ biến trên khắp đất nước Nhưng một thực trạng hiện nay là tình trạng thiếu năng lượng hoặc sự cố gây mất điện vẫn diễn ra thường xuyên Những sự cố mất điện bất ngờ như vậy có thể gây hại hoặc hư hỏng cho các thiết bị điện, cũng như có thể gây những hậu quả nghiêm trọng hơn ví dụ như dừng hoạt động của hệ thống đèn tín hiệu giao thông , mất dữ liệu trên máy tính hoặc server…

Vì vậy cần có một thiết bị có thể cung cấp năng lượng tạm thời khi mất điện đột ngột UPS (Uninterruptible Power Supply) ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu cung cấp một nguồn điện liên tục cho các thiết bị điện trước các sự cố mất điện bất ngờ Sau đó nhiều chức năng khác như chống sét, lọc nhiễu, ổn tần, ổn áp được phát triển thêm vào UPS giúp thiêt bị có thể đáp ứng được các yêu cầu của một nguồn điện liên tục

Trong đề tài này sẽ nghiên cứu phát triển dòng UPS online có thời gian chuyển mạch ngắn nhất phù hợp với các thiết bị có độ nhạy về điện cao Ứng dụng vi xử lý pic 16f877a vào mạch điện công suất

Trang 2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU BỘ LƯU ĐIỆN (UPS) VÀ MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU H

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU BỘ LƯU ĐIỆN(UPS) VÀ MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU H

1.1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ LƯU ĐIỆN (UPS)

UPS (Uninterruptible Power Supply) là một thiết bị có thể cung cấp tạm thời điện

năng nhằm duy trì sự hoạt động của thiết bị sử dụng điện lưới gặp sự cố (mất điện, sụt giảm điện áp quá thấp, sự cố khác…) trong một khoảng thời gian với công suất giới hạn theo khả năng của nó

UPS có 2 dòng chính là UPS offline và UPS online:

UPS offline:

Khi nguồn điện lưới còn đáp ứng được, nó sẽ được đưa thẳng tới thiết bị sử dụng Trường hợp có sự cố về nguồn điện lưới, bộ chuyển mạch sẽ chuyển sang chế độ dùng acquy, dòng điện một chiều từ acquy sẽ được biến đổi thành dòng xoay chiều phù hợp cho thiết bị sử dụng

Ưu điểm: Giá thành rẻ, đơn giản, thích hợp cho các thiết bị công suất nhỏ độ nhạy cảm

về điện không cao

Nhược điểm: Công suất nhỏ, không có chức năng ổn áp khi điện điện áp lưới thay đổi,

có thời gian chuyển mạch giữa các chế độ là từ 2-10ms nên không thích hợp với các thiết bị nhạy cảm về điện

Ngoài ra, còn có dòng UPS offline công nghệ Line interactive Dòng này tiên tiến hơn UPS offline thông thường nhờ có chức năng ổn áp và có thể được giám sát bằng máy tính

Trang 3

thống điều khiển, Nếu cần thời gian lưu điện dài thì có thể dùng loại acquy ngoài (dòng Offline không có khả năng này) Hệ số công suất thường là 0.7, có cổng kết nối máy tính, quản lý bằng phần mềm Và giá cũng đắt hơn

Giới thiệu sơ lược về UPS online

Như đã nói ở trên, dòng UPS online không có thời gian chuyển mạch khi nối lưới và có thể kết nối với acquy ngoài nên được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị quân sự, thông tin liên lạc, những thiết bị cần thời gian sử dụng lâu, không có thời gian trể Dưới đây là nguyên lý làm việc đơn giản của UPS online

Lưu ý: Những ký hiệu trong sơ đồ có thể không quen thuộc đối với các bạn

Hình 1.1 Sơ đồ đơn giản của UPS online (nguồn www.webdien.com)

Ở đây, chúng ta thấy rằng việc cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ là hoàn toàn liên tục khi có sự cố về lưới điện Hãy phân tích sơ dồ dưới góc độ người sử dụng như sau: Nguồn điện lưới lúc này không cung cấp trực tiếp cho các thiết bị mà chúng được biến đổi thành điện một chiều tương ứng với điện áp của acquy Sơ đồ trên ta thấy được rằng điện từ lưới thông qua bộ sạc (chargeur trên sơ đồ) biến đổi điện xoay chiều (AC) thành điện một chiều (DC) nạp vào acquy (batterie) rồi qua bộ nghịch lưu (onduluer) chuyển ngược lại thành điện xoay chiều phù hợp với điện áp của thiết bị sử dụng

Trang 4

Như vậy, có thể thấy rằng trong bất kỳ sự cố nào về lưới điện thì UPS online cũng có thể cung cấp điện cho thiết bị sử dụng mà không có thời gian trễ nào Điều này làm cho các thiết bị an toàn và ổn định

UPS online luôn ổn định điện áp đầu ra Vì vậy không cần phải có một bộ ổn áp để bảo

vệ tránh hiện tượng quá điện áp cho thiết bị

Phần tiếp theo chúng ta sẽ bàn về mạch nghịch lưu và nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu từ acquy dùng cầu H

1.1.2 GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều dể cung cấp cho tải xoay chiều Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện Tùy theo từng loại mà chúng ta có bộ nghịch lưu áp hay bộ nghịch lưu dòng Trong đề tài này, chúng ta giới hạn ở bộ nghịch lưu áp

Trang 5

Hình 1.2 Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu Ngoài ra, còn có bộ nghịch lưu 1 pha dạng nửa cầu có hoặc không có dùng máy biến áp cách ly phía tải Ở dạng này, điện áp tải lớn nhất chỉ bằng ½ điện áp nguồn một chiều Nhưng dạng này tiết kiệm được 2 khóa trong khi phải dùng 4 khóa như dạng cầu

Hình 1.3 Sơ đồ bộ nghịch lưu áp 1 pha nửa cầu không có biến áp (a) có biến áp (b)

Bộ nghịch lưu áp 3 pha cấp cho tải 3 pha như động cơ không đồng bộ …Sơ đồ mạch

bộ nghịch lưu áp ba pha trên thực tế chỉ gặp ở dạng mạch cầu Mạch chứa 6 công tắc

Trang 6

tam giác

Hình 1.4 Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu áp 3 pha

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP:

Có nhiều loại điều khiển bộ nghịch lưu áp Có thể kể đến như phương pháp điều khiển theo biên độ, phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế theo mẫu, phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM), phương pháp điều rộng, phương pháp điều chế vector không gian, …Các phương pháp trên nhằm mục tiêu duy nhất là cho điện áp đầu ra có dạng càng gần sin càng tốt Thông thường dạng sóng tạo ra có 2 loại: tạo ra sóng sin mô phỏng và true sin (thuần sin) Một sóng sin mô phỏng có dạng sóng gần với sóng vuông nhưng có giai đoạn chuyển đổi nên gần với sóng hình sin Hình dạng của các dạng sóng được vẽ trong Hình 1.5 dưới đây Sóng sin mô phỏng có thể được tạo dể dàng bằng cách chuyển đổi bởi 3 mức tần số xác định Do đó, giá thành rẻ Tuy nhiên không phải thiết bị nào cũng có thể sử dụng loại nghịch lưu này

Trang 7

Hình 1.5 Các dạng sóng: sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin (SINE

WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE)

Để tạo ra dạng sóng true sin thì cũng có nhiều phương pháp Tuy nhiên, trong đề tài này ta chọn phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM) vì các ưu điểm của nó như:

§ Tín hiệu ra gần đúng với tín hiệu sin chuẩn (true sin)

§ Lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều

§ Có thể kết hợp với vi điều khiển để đơn giản quá trình điều khiển

§ Giá thành không quá đắt

§ Giải thuật tính toán cũng không quá phức tạp

Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM)

Trong các bộ biến đổi nguồn và động cơ PWM được sử dụng một cách rộng rãi Sự thay đổi của độ rộng xung trong tín hiệu PWM được sử dụng để điều khiển tốc độ động

cơ và biến đổi nguồn Tín hiệu PWM có thể được tạo ra khi sử dụng các bộ vi điều khiển hoặc các bộ tạo tín hiệu chuyên dụng

Trang 8

Tín hiệu PWM tương tự sử dụng bộ so sánh hai tín hiệu vào, gồm tín hiệu chuẩn và tín hiệu sóng mang để tạo ra tín hiệu dựa trên sự sai khác Tín hiệu chuẩn phải có dạng sin tần số cùng với tần số yêu cầu ở đầu ra, trong khi tín hiệu sóng mang ở dạng sóng răng cưa hay tam giác và thường có tần số lớn hơn tần số chuẩn Khi tín hiệu sóng mang lớn hơn tín hiệu chuẩn, đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ nhất (mức thấp) còn ngược lại đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ hai (mức cao)

Quy trình này được mô tả trong hình 1.6 Trong đó, tín hiệu sóng mang (xung tam giác) có màu đỏ, tín hiệu sin chuẩn có màu đen Sau khi qua bộ so sánh xuất ra tín hiệu

ở bên dưới để đóng ngắt các khóa trong bộ nghịch lưu (ở đây là các khóa trong mạch

Hình 1.6 Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM

Trang 9

Cần phải nói thêm rằng, trong thực tế ngày nay người ta thường dùng vi điều khiển để tạo tín hiệu PWM thay cho cách trước đây là tạo ra sóng mang và sóng chuẩn rồi đem

so sánh với nhau Sử dụng vi điều khiển có nhiều ưu điểm:

Độ ổn định cao, do mạch dao động của vi điều khiển sử dụng thạch anh

Tần số tín hiệu PWM cao: có thể đạt tới vài MHz

Khả nănng điều khiển chính xác, sai số đầu ra có thể đạt đến 1%

Có thể cùng một lúc tạo nhiều tín hiệu PWM

Ngoài ra, ta còn có thể sử dụng các cổng còn lại của vi điều khiển để thực hiện các chức năng khác như giám sát, điều khiển, hiển thị…

Để khuếch đại tín hiệu PWM để tránh nhiễu cho các khóa người ta thường sử dụng transistor hoặc các linh kiện chuyển mạch khác (ở đây ta dùng IC ULN2804) Các cấu hình cầu hoặc bán cầu đã được nói ở trên thường được sử dụng trong trường Các cấu hình cầu sử dụng 4 linh kiện chuyển mạch và thường được gọi là cầu H (H Brigde) do hình dạng của nó

1.3.MẠCH CẦU H

Mạch cầu H là một mạch chuyển mạch tạo bởi 4 linh kiện sắp xếp theo hình chữ H Bằng cách điều khiển các công tắc trong mạch ta có thể tạo điện áp dương, âm và 0V trên tải Mạch cầu H cơ sở được thể hiện qua hình 1.7

Trang 10

Hình 1.7 Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc [8]

Quan hệ giữa tình trạng hoạt động của các linh kiện trong mạch và điện áp trên tải được mô tả trong bảng 1 Lưu ý là các trường hợp khác đã được loại trừ ví dụ ngắn mạch

Bảng 1.1 Sơ đồ trạng thái đóng ngắt các khóa trên mạch cầu H

Trang 11

thấp/cao/băng với tần số xác định, các bộ lọc tích cực dạng này có thông số kỹ thuật rất cao và có suy hao không đáng kể Các bộ lọc này thường được cấu tạo dựa trên các khuếch đại thuật toán (Op-amp) hay các linh kiện lô-gic Tuy nhiên, các bộ lọc này có giá thành cao, và không có khả năng lọc tín hiệu điện áp cao Để thực hiện lọc điện áp cao trong các bộ nghịch lưu, người ta thường sử dụng các bộ lọc thụ động Các bộ lọc này có giá thành thấp và dễ triển khai trong thực tế

Trang 12

1.5TÓM GỌN SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH

Sau đây là sơ đồ khối của bộ nghịch lưu dùng cầu H cho UPS online

Hình 1.9 Sơ đồ khối mạch nghịch lưu acquy dùng cầu H

TẢI

MẠCH BẢO VỆ

MẠCH LÁI MOSFET

ACQUY 24V

BỘ LỌC TẦN SỐ THẤP

MẠCH CẦU H SỬ DỤNG IGBT

TẠO XUNG PWM

PHÓNG ĐIỆN

ÁP

TẢI

MẠCH DC-DC

310V DC

CHUYỂN MẠCH

NẠP

DC

Trang 13

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACQUY

2.1Giới thiệu chung về acquy

Acquy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch Nó tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng Dòng điện trong bình

Hiện nay chúng ta có nhiều loại acquy, nhưng có 2 loại cơ bản là acquy axit và acquy kiềm

Bình acquy được làm từ nhiều tế bào acquy (cell), ta gọi đó là những acquy đơn, được đặt trong 1 vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng

Mỗi acquy đơn có điện thế khoảng 2V Acquy 12V có 6 acquy đơn mắc nối tiếp Muốn có điện thế cao hơn ta mắc nối tiếp nhiều acquy lại với nhau

Trên nắp mỗi acquy đơn có đặt nắp thông hơi, với mục đích:

· Để đậy kín acquy, khi cần thêm nước thì mở ra thêm nước vào

· Khi nạp thì người ta mở nắp này để chất khí hình thành có khí thoát ra

Hình 2.1 Cấu tạo acquy

Trang 14

động của acquy, thể hiện trong sơ đồ sau:

Hình 2.2 Ảnh hưởng của nồng độ dd g tới điện trở và sức điện động

2.1.1Quá trình hóa học xảy ra trong acquy axit

Trong acquy thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là quá trình nạp và phóng điện

động theo hướng ngược lại

tinh thể nhỏ

sau:

Trên bản cực dương:

Trang 15

O H PbSO SO

H PbO

NAP

PHÓNG

2 4 4

Trên bản cực âm:

4

SO Pb

do đó nồng độ dung dịch giảm đi Khi nạp điện thì ngược lại, nhờ hấp thụ nước và

dịch điện phân khi phóng và nạp là một trong những dấu hiệu xác định trạng thái tích điện của acquy

2.2 Các thông số cơ bản của acquy

2.2.1 Sức điện động:

Sức điện động phụ thuộc nồng độ của dung dịch điện phân

Trong quá trình phóng điện, sức điện động của acquy được tính theo công thức:

Trang 16

2.2.2Dung lượng phóng

Dung lượng phóng của acquy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của acquy cho phụ tải, được tính theo công thức:

Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng phóng và dòng điện sinh ra được:

Hình 2.3: biểu đồ dung lượng phóng

Trang 17

2.2.3 Dung lượng nạp

Dung lượng nạp của acquy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của acquy:

2.2.4 Đặc tính phóng của acquy

Đặc tính phóng của acquy là đồ thì biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không đổi

Hình 2.4: đặc tính phóng của ac quy

dung dịch điện phân giảm dần Tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thì không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định

Trang 18

tan (biến đổi hóa học) trong quá trình nạp điện trở lại cho acquy sau này Như vậy

Sau khi ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp acquy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của acquy sau khi phóng

2.2.5 Đặc tính nạp

Đặc tính nạp của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dùng điện nạp không đổi

Hình 2.5 : đặc tuyến nạp

dịch điện phân tăng dần

tượng sôi), lúc này điện thế giữa các cực acquy đơn tăng đến 2.4V Nếu vẫn tiếp tục nạp, giá trị này nhanh chóng tăng tới 2.7V và vẫn giữ nguyên Thời gian này gọi là thời gian nạp no, có tác dụng làm cho các chất tác dụng ở sâu trong lòng bản cực

Trang 19

được biến đổi hoàn toàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của acquy

Trong sử dụng thời gian nạp no cho acquy kéo dài từ 2 – 3h, trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các cực của acquy và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi Như vậy dung lượng thu được của acquy khi phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no acquy

Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của acquy, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của acquy sau khi nạp

Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của acquy Dòng

2.2.6 Những dấu hiệu cho thấy acquy đã đầy điện

· Hiện tượng sủi bọt rất mạnh xảy ra xung quanh cực âm và cực dương

· Tỷ trọng chất điện phân so với nước đạt 1.12 – 1.22 đối với acquy cố định và 1.25 – 1.30 đối với acquy di động

· Hiệu điện thế đạt 2.7 – 2.8 và ổn định trong suốt 3h

· Dung lượng nạp vào gấp 1.2 – 1.3 lần dung lượng định mức

2.3 Tiêu chuẩn acquy: TCVN : 4472 : 93

Tiêu chuẩn này áp dụng cho các loại acquy chì dùng cho mục đích khởi động có điện áp danh định 6V và 12V

cực và quanh nắp, áp suất chân không trong bình 21 ± 1.33 Kpa (160 ± 10 mmHg)

so với vị trí làm việc, điện dịch không được chảy ra ngoài

Trang 20

khô)Trong vòng 60 ngày kể từ ngày sản xuất, acquy phải đảm bảo được thông số theo bảng 2.2

Bảng 2.2 Thông số ac quy

Acquy tích điện khô

Dòng điện phóng khởi động

Thời gian tối thiểu kết thúc khởi động (phút)

Điện áp đầu ra (V) Sau 5 – 7s từ lúc

Loại bình 6V

Loại bình 12V

Loại bình 6V

Loại bình 12V Trong

vòng

60 ngày

kể từ khi sản xuất

C Bình acquy phải ngừng phóng điện khi điện

áp ở hai đầu điện cực giảm đến 5.25V (đối với bình 6V) và 10.5V (đối với bình 12V)

Trang 21

Khả năng phóng điện khởi động được xác định bằng khả năng phóng điện ở chu kì

loại tích điện khô.Các thông số của acquy phải đạt như theo bảng 2.3

Bảng 2.3 Thông số yêu cầu của ac quy

Thời gian tối thiểu kết thúc khởi động (phút)

Dòng điện phóng khởi

(A)

Điện áp đầu ra (V) Sau 5 – 7s từ

lúc bắt đầu phóng

Điện áp cuối

Loại bình 6V

Loại bình 12V

Loại bình 6V

Loại bình 12V

với điện áp 7.2V (đối với bình 6V) và 14.4V (đối với bình 12V), trong 10 phút,

tục Sau mỗi chu kì nạp 100 giờ để hở mạch 68 giờ và phóng kiểm tra bằng dòng

thời gian phải đạt trên 4 phút

dung lượng danh định sau 14 ngày đêm không giảm quá 14%

Trang 22

thấp nhất 240 chu kỳ theo phép thử quy định trong tiêu chuẩn này

o Tên nhà máy sản xuất

o Dấu hiệu hàng hóa sản xuất

o Thời gian sản xuất

Trang 23

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A VÀ MỘT SỐ LINH KIỆN KHÁC

3.1 Vi điều khiển pic 16F877a

Hình 3.1: Vi điều khiển PIC 16F877A

Đây là vi điều khiển thuộc họ 16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài

14 bit Mỗi lệnh 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 chương trình là 8Kx14bit, bộ nhớ dữ liệu là 368x8byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8byte Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O

Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau: Timer 0: bộ đếm 8 bit bộ chia tần 8 bit Timer 1: bộ đếm 16 bit 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 Timer 2: bộ đếm 8 bit bộ chia tần số, bộ postcaler Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ xung Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SPP (Synchronouns 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

Trang 24

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A VÀ MỘT SÓ LINH KIỆN KHÁC

Bên cạnh đó có 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 Cỉcuit 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 nhiều dạng Oscillator khác nhau

3.1.1 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A:

Hình 3.2: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

Trang 25

3.1.2 Tổ chức bộ nhớ:

Hình3.3: Bộ nhớ chương trình

Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC

16F877A là bộ nhớ flash, dung lượng bộ nhớ 8K word (1word =14 bit) và được phân thành nhiều trang Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024=8192 lệnh Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình có dung lượng 13 bit (PC<12:0>) Khi vi điều khiển được reset,

bộ đếm sẽ chỉ địa chỉ 0000h (Resetvector) Khi ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h (Interrupvector) Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa bới bộ đếm chương trình

Trang 26

Bộ nhớ dữ liệu: bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia làm

nhiều bank Đối với PIC 16F877A bộ nhớ dữ liệu chia làm 4 bank Mỗi bank có dung lượng 128 byte, bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR (Special Function Register) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích chung GPR (General Purpose Register) nằm ở vùng địa chỉ còn lại của bank Các thanh ghi SFR thương xuyên được sử dụng 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

Hình 3.4: Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu

Trang 27

3.1.3 Thanh ghi, Port :

Các thanh ghi chức năng đặc biệt:

Thanh ghi STATUS (03h,83h,103h,183h) :thanh ghi chứa kết quả thực hiện phép toán của khối ALU, trạng thái reset và các bit chọn bank truy xuất trong bộ nhớ dữ liệu

Thanh ghi OPTION_REG (81h,181h) :thanh ghi này cho phép đọc, ghi và điều khiển chức năng pull_up của các chân trong Port B, xác lập các tham số về xung tác động của ngắt ngoại vi và bộ đếm Timer 0

Thanh ghi INCON (0Bh,8Bh,10Bh,18Bh) :thanh ghi cho phép đọc, ghi, chứa các bit điều khiển và các bit cờ hiệu khi timer 0 bị tràn, ngắt ngoại vi RB0/INT và ngắt interrup_on_change tại các chân của Port B

Thanh ghi PIE1 (8Ch) :chứa các bit điều khiển chi tiết các ngắt của khối chức năng ngoại vi

Trang 28

Thanh ghi PIR1 (0Ch) :chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi, các ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE1

Thanh ghi PIE2 (8Dh) :chứa các bít điều khiển các ngắt của các khối chức năng CCP2, SSP bus, ngắt của bộ so sánh và ngắt ghi vào bộ nhớ EEPROM

Thanh ghi PIR2 (0Dh) : chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi, các ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE2

Thanh ghi PCON (8Eh) :chứa các cờ hiệu cho biết trạng thái các chế độ reset của vi điều khiển

Các Port của Pic :

Trang 29

* PORTA :

PortA bao gồm 6 chân I/O, để là input thì ghi giá trị vào thanh ghi TrisA sẽ quy định các chân của Port (nếu là 1 thì input, là 0 thì output) Riêng chân RA4 được tích hợp chức năng là chân cung cấp xung clock cho timer 0 Những chân khác đa hợp với ngõ vào analog của ADC và chân vào điện thế so sánh của bộ so sánh Comparator

Các thanh ghi SFR liên quan đến PortA :

PortA (05h) :chứa các pin trong PortA

TrisA (85h) :điều khiển xuất nhập

Cmcon (9Ch) :thanh ghi điều khiển bộ so sánh

Cvrcon (9Dh) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp

Adcon1 (9Fh) : thanh ghi điều khiển bộ ADC

* PORTB :

PortB bao gồm 8 chân I/O, để là input thì ghi giá trị vào thanh ghi TrisB sẽ quy định các chân của Port (nếu là 1 thì input, là 0 thì output) Một số chân sử dụng trong quá trình nạp chương trình cho vi điều khiển PortB liên quan tới ngắt ngoại vi

và bộ timer 0 PortB còn được tích hợp chức năng điện trở kéo lên được điều khiển bởi chương trình

Các thanh ghi SFR liên quan đến PortB :

PortB (06h, 106h) :chứa các pin trong PortB

TrisB (86h, 186h) :điều khiển xuất nhập

Option_reg (82h, 181h) :điều khiển ngắt ngoại vi và bộ timer 0

* PORTC :

PortC bao gồm 8 chân I/O, để là input thì ghi giá trị vào thanh ghi TrisC sẽ quy định các chân của Port (nếu là 1 thì input, là 0 thì output) PortC chứa các chân chức năng của bộ so sánh, bộ timer 1, bộ PWM, các chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART

Các thanh ghi SFR liên quan đến PortC :

Trang 30

TrisB (87h) :điều khiển xuất nhập

* PORTD :

PortD bao gồm 8 chân I/O, để là input thì ghi giá trị vào thanh ghi TrisD sẽ quy định các chân của Port (nếu là 1 thì input, là 0 thì output) PortD còn là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp PSP (Parallel Slave Port)

Các thanh ghi SFR liên quan đến PortD :

PortD (08h) :chứa các pin trong PortD

TrisB (88h) :điều khiển xuất nhập

* PORTE :

PortE bao gồm 3 chân I/O, để là input thì ghi giá trị vào thanh ghi TrisE sẽ quy định các chân của Port (nếu là 1 thì input, là 0 thì output) PortE chứa các chân ngõ vào analog, còn có các chân điều khiển chuẩn giao tiếp PSP (Parallel Slave Port)

Các thanh ghi SFR liên quan đến PortE :

PortD (09h) :chứa các pin trong PortE

TrisB (89h) :điều khiển xuất nhập và thiết lập thông số cho chuấn giao tiếp PSP

Adcon1 :thanh ghi điều khiển khối ADC

3.1.4 Giao tiếp nối tiếp

- 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 SCI

(Serial Communication Interface) Có thể sử dụng giao diện này cho các giao tiếp với các

thiết bị ngoại vi, với các vi điều khiển khác hay với máy tính Các dạng của giao diện USART ngoại vi bao gồm:

Bất động bộ (Asynchronous)

Đồng bộ_ Master mode

Đồng bộ_ Slave mode

Trang 31

PIC16F877A được tích hợp sẵn bộ tạo tốc độ baud BRG (Baud Rate Genetator) 8 bit dùng cho giao diện USART BRG thực chất là một bộ đếm có thể được sử dụng cho cả hai dạng đồng bộ và bất đồng bộ và được điều khiển bởi thanh ghi PSBRG

Ở dạng bất đồng bộ, BRG còn được điều khiển bởi bit BRGH ( TXSTA<2>) Ở dạng đồng bộ tác động của bit BRGH được bỏ qua Tốc độ baud do BRG tạo ra được tính theo công thức sau:

Trong đó X là giá trị của thanh ghi RSBRG ( X là số nguyên và 0<X<255)

Các thanh ghi liên quan đến BRG bao gồm:

TXSTA (địa chỉ 98h): chọn chế độ đòng bộ hay bất đồng bộ ( bit SYNC) và chọn mức

tốc độ baud (bit BRGH)

RCSTA (địa chỉ 18h): cho phép hoạt động cổng nối tiếp (bit SPEN)

RSBRG (địa chỉ 99h): quyết định tốc độ baud

- USART bất đồng bộ: Ở chế độ truyền này USART hoạt động theo chuẩn NRZ

(None-Return-to-Zero), nghĩa là các bit truyền đi sẽ bao gồm 1 bit Start, 8 hay 9 bit

dữ liệu (thông thường là 8 bit) và 1 bit Stop Bit LSB sẽ được truyền đi trước Các khối truyền và nhận data độc lập với nhau sẽ dùng chung tần số tương ứng với tốc

độ baud cho quá trình dịch dữ liệu (tốc độ baud gấp 16 hay 64 lần tốc độ dịch dữ liệu tùy theo giá trị của bit BRGH), và để đảm bảo tính hiệu quả của dữ liệu thì hai khối truyền và nhận phải dùng chung một định dạng dữ liệu

Các thanh ghi liên quan đến quá trình truyền dữ liệu bằng giao diện USART bất đồng bộ:

Thanh ghi INTCON (địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh): cho phép tất cả các ngắt Thanh ghi PIR1 (địa chỉ 0Ch): chứa cờ hiệu TXIF

Thanh ghi PIE1 (địa chỉ 8Ch): chứa bit cho phép ngắt truyền TXIE

Thanh ghi RCSTA (địa chỉ 18h): chứa bit cho phép cổng truyền dữ liệu (hai pin

Trang 32

RC6/TX/CK và RC7/RX/DT)

Thanh ghi TXREG (địa chỉ 19h): thanh ghi chứa dữ liệu cần truyền

Thanh ghi TXSTA (địa chỉ 98h): xác lập các thông số cho giao diện

Thanh ghi SPBRG (địa chỉ 99h): quyết định tốc độ baud

- USART đồng bộ:

Giao diện USART đồng bộ được kích hoạt bằng cách set bit SYNC Cổng giao tiếp nối tiếp vẫn là hai chân RC7/RX/DT, RC6/TX/CK và được cho phép bằng cách set bit SPEN USART cho phép hai chế độ truyền nhận dữ liệu là Master mode và Slave mode Master mode được kích hoạt bằng cách set bit CSRC (TXSTA<7>), Slave mode được kích hoạt bằng cách clear bit CSRC Điểm khác biệt duy nhất giữa hai chế độ này là Master mode sẽ lấy xung clock đồng bộ từ bộ tao xung baud BRG còn Slave mode lấy xung clock đồng bộ từ bên ngoài qua chân RC6/TX/CK Điều này cho phép Slave mode hoạt động ngay cả khi vi điều khiển đang ở chế độ sleep

Các thanh ghi liên quan đến quá trình truyền dữ liệu bằng giao diện USART đồng

bộ Master mode:

Thanh ghi INTCON (địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh): cho phép tất cả các ngắt Thanh ghi PIR1 (địa chỉ 0Ch): chứa cờ hiệu TXIF

Thanh ghi PIE1 (địa chỉ 8Ch): chứa bit cho phép ngắt truyền TXIE

Thanh ghi RCSTA (địa chỉ 18h): chứa bit cho phép cổng truyền dữ liệu (hai pin RC6/TX/CK và RC7/RX/DT)

Thanh ghi TXREG (địa chỉ 19h): thanh ghi chứa dữ liệu cần truyền

Thanh ghi TXSTA (địa chỉ 98h): xác lập các thông số cho giao diện

Thanh ghi SPBRG (địa chỉ 99h): quyết định tốc độ baud

Cổng giao tiếp song song psp (parallel slave port)

Ngoài các cổng nối tiếp và các giao điện nối tiếp được trình bày ở phần trên, vi điều khiển pic16F877A còn được hỗ trợ một cổng giao tiếp song song và chuẩn giao tiếp song song thông qua portd và porte do cổng song song chỉ hoạt động ở chế độ slave mode nên vi điều khiển khi giao tiếp qua giao diện này sẽ chịu sự điều khiển của

Trang 33

thiết bị bên ngoài thông qua các pin của porte, trong khi dữ liệu sẽ được đọc hoặc ghi theo dạng bất đồng bộ thông qua 8 pin của portd

- Các thanh ghi liên quan đến psp bao gồm:

thanh ghi portd (địa chỉ 08h): chứa dữ liệu cần đọc hoặc ghi

thanh ghi porte (địa chỉ 09h): chứa giá trị các pin porte

thanh ghi trise (địa chỉ 89h): chứa các bit điều khiển porte và psp

thanh ghi pir1 (địa chỉ 0ch): chứa cờ ngắt pspif

thanh ghi pie1 (địa chỉ 8ch): chứa bit cho phép ngắt psp

thanh ghi adcon1 (địa chỉ 9fh): điều khiển khối adc tại porte

Các đặc tính của Oscillator

Pic16F877A có khả năng sử dụng một trong 4 loại oscillator, đó là:

LP: (low power crystal)

XT: thạch anh bình thường

HS: (high-speed crystal)

RC: (resistor/capacitor) dao động do mạch rc tạo ra đối với các loại oscillator lp,

hs, xt, Oscillator được gắn vào vi điều khiển thông

qua các pin osc1/clki và Osc2/Clko

đối với các ứng dụng không cần các loại oscillator tốc độ cao, ta có thể sử dụng mạch dao động rc làm nguồn cung cấp xung hoạt động cho vi vi điều khiển tần số tạo ra phụ thuộc vào các giá trị điện áp, giá trị điện trở và tụ điện, bên cạnh đó là sự ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, chất lượng của các linh kiện

các linh kiện sử dụng cho mạch rc oscillator phải bảo đảm các giá trị sau:

3 k < rext < 100 k

cext >20 pf

3.1.5 Các chế độ Reset

Có nhiều chế độ reset vi điều khiển, bao gồm:

Power-on Reset POR (Reset khi cấp nguồn hoạt động cho vi điều khiển)

Trang 34

Từ chế độ sleep

WDT reset (reset do khối WDT tạo ra trong quá trình hoạt động)

WDT wake up từ chế độ sleep

Brown-out reset (BOR)

- Power-on reset (POR): Đây là xung reset do vi điều khiển tạo ra khi phát hiện nguồn cung cấp VDD Khi hoạt động ở chế độ bình thường, vi điều khiển cần được đảm bảo các thông số về dòng điện, điện áp để hoạt động bình thường Nhưng nếu các tham số này không được đảm bảo, xung reset do POR tạo ra sẽ đưa vi điều khiển về trạng thái reset và chỉ tiếp tục hoạt động khi nào các tham số trên được đảm bảo

- Power-up Timer (PWRT): đây là bộ định thời hoạt động dựa vào mạch RC bên trong

vi điều khiển Khi PWRT được kích hoạt, vi điều khiển sẽ được đưa về trạng thái reset

PWRT sẽ tạo ra một khoảng thời gian delay (khoảng 72 ms) để VDD tăng đến giá trị thích

hợp

- Oscillator Start-up Timer (OST): OST cung cấp một khoảng thời gian delay bằng

1024 chu kì xung của oscillator sau khi PWRT ngưng tác động (vi điều khiển đã đủ điều kiện hoạt động) để đảm bảo sự ổn định của xung do oscillator phát ra Tác động của OST còn xảy ra đối với POR reset và khi vi điều khiển được đánh thức từ chế đợ sleep OST chỉ tác động đối với các lọai oscillator là XT, HS và LP

- Brown-out reset (BOR): Nếu VDD hạ xuống thấp hơn giá trị VBOR (khoảng 4V)

và kéo dài trong khoảng thời gian lớn hơn TBOR (khoảng 100 us), BOR được kích hoạt và vi điều khiển được đưa về trạng thái BOR reset Nếu điện áp cung cấp cho

vi điều khiển hạ xuống thấp hơn VBOR trong khoảng thời gian ngắn hơn TBOR, vi điều khiển sẽ không được reset Khi điện áp cung cấp đủ cho vi điều khiển hoạt động, PWRT được kích hoạt để tạo ra một khoảng thời gian delay (khoảng 72ms) Nếu trong khoảng thời gian này điện áp cung cấp cho vi điều khiển lại tiếp tục hạ

Trang 35

xuống dưới mức điện áp VBOR, BOR reset sẽ lại được kích hoạt khi vi điều khiển

đủ điện áp hoạt động Một điểm cần chú ý là khi BOR reset được cho phép, PWRT cũng sẽ hoạt động bất chấp trạng thái của bit PWRT

- Tóm lại để vi điều khiển hoạt động được từ khi cấp nguồn cần trải qua các bước sau: POR tác động

PWRT (nếu được cho phép hoạt động) tạo ra khoảng thời gian delay TPWRT để ổn

Hình 18 : sơ đồ các chế độ reset của pic 16f877a

3.1.6 Ngắt

PIC16F877A có đến 15 nguồn tạo ra hoạt động ngắt được điều khiển bởi thanh ghi

Trang 36

riêng Các cờ ngắt vẫn được set bình thường khi thỏa mãn điều kiện ngắt xảy ra bất chấp trạng thái của bit GIE, tuy nhiên hoạt động ngắt vẫn phụ thuôc vào bit GIE và các bit điều khiển khác Bit điều khiển ngắt RB0/INT và TMR0 nằm trong thanh ghi INTCON, thanh ghi này còn chứa bit cho phép các ngắt ngoại vi PEIE Bit điều khiển các ngắt nằm trong thanh ghi PIE1 và PIE2 Cờ ngắt của các ngắt nằm trong thanh ghi PIR1 và PIR2

Trong một thời điểm chỉ có một chương trình ngắt được thực thi, chương trình ngắt được kết thúc bằng lệnh RETFIE Khi chương trình ngắt được thực thi, bit GIE tự động được xóa, địa chỉ lệnh tiếp theo của chương trình chính được cất vào trong bộ nhớ Stack và bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h Lệnh RETFIE được dùng để thoát khỏi chương trình ngắt và quay trở về chương trình chính, đồng thời bit GIE cũng sẽ được set để cho phép các ngắt hoạt động trở lại Các cờ hiệu được dùng để kiểm tra ngắt nào đang xảy ra và phải được xóa bằng chương trình trước khi cho phép ngắt tiếp tục hoạt động trở lại để ta có thể phát hiện được thời điểm tiếp theo mà ngắt xảy ra

Đối với các ngắt ngoại vi như ngắt từ chân INT hay ngắt từ sự thay đổi trạng thái các pin của PORTB (PORTB Interrupt on change), việc xác định ngắt nào xảy ra cần 3 hoặc 4 chu kì lệnh tùy thuộc vào thời điểm xảy ra ngắt

Cần chú ý là trong quá trình thực thi ngắt, chỉ có giá trị của bộ đếm chương trình được cất vào trong Stack, trong khi một số thanh ghi quan trọng sẽ không được cất

và có thể bị thay đổi giá trị trong quá trình thực thi chương trình ngắt Điều này nên được xử lí bằng chương trình để tránh hiện tượng trên xảy ra

Trang 37

Hình 19:Sơ đồ logic của tất cả các ngắt trong vi điều khiển PIC16F877A

3.2 GIỚI THIỆU LCD

Trên thị trường hiện nay loại LCD phổ biến là loại LCD 2 dòng x 16 kí tự LCD 1602A gồm có 2 dòng x 16 kí tự, sử dụng chíp KS006U của Samsung Ngoài ra, còn có một số loại khác như LCD sử dụng chíp HD44780 của Hitachi chúng cũng tương tự nhau LCD là một thiết bị ngoại vi có thể xuất ( để hiển thị ), nhập ( đọc giá trị từ LCD về )

TC-Giới thiệu LCD

3.2.1 Tổng quan:

Mặt hiển thị tinh thể lỏng còn gọi là LCD (Liquid Crystal Display)

Với đặc điểm là tiêu thụ năng lượng ít nên được dùng khá phổ biến để hiển thị các thông tin của người dùng và truyền thông

Với các hiển thị sử dụng dòng điện chạy qua mối nối diode P-N phân cực thuận tạo ra ánh sáng, còn màu sắc tuỳ vào chất bán dẫn cấu tạo nên diode Tuy dòng điện chỉ là 5-20 mA nhưng hiệu điện thế giảm qua diode lại đáng kể (1.8-2,2

Trang 38

V) nên công suất tiêu thụ cuả 1 led từ 10-30 mW Con số này không lớn nhưng nếu

ta sử dụng một hệ thống hiển thị cần nhiều led thì điều này rất đáng kể, nhất là đối với các hệ thống có sử dụng nguồn dự phòng

Sử dụng LCD hiện nay rất phổ biến, nhất là phù hợp với nhiều ứng dụng cần công suất tiêu thụ thật thấp như đồng hồ đeo tay, máy tính bỏ túi…

Hơn nữa, vì mỗi led chỉ cho một điểm sáng hay một đoạn sáng nên không thể dùng led để hiển thị các nội dung phức tạp, linh hoạt được như ở các máy đọc đĩa, dàn ampli hifi hiện đại hay các máy đo vừa hiển thị dạng số hay tương tự, LCD còn có khả năng hiển thị các biểu tượng, ký hiệu linh hoạt

Tuy không thể thay thế được led nhưng LCD có ưu thế vượt trội led bởi hai khả năng trên: Công suất tiêu tán rất thấp và hiển thị phức tạp, linh hoạt

3.2.2 Nguyên lý hoạt động:

LCD cung cấp tính linh hoạt tối ưu trong việc định dạng dữ liệu hiển thị Chúng cho phép ký tự, hình vẽ hoặc kết hợp cả hai Khi cỡ chữ được xác định bằng phần mềm, chúng cho phép mọi ngôn ngữ hoặc font ký tự hiển thị Điều giới hạn duy nhất là độ phân giải

LCD được tổ chức theo những hàng (horizontal) và cột (vertical) của điểm ảnh( pixels) Mỗi pixel được định địa chỉ riêng lẻ, cho phép mọi sự kết hợp Hình ảnh này cung cấp cho người sử dụng khả năng cấu trúc của bất cứ cỡ hoặc hình dạng text

Trang 39

Các hình trên chỉ ra cấu trúc của một LCD Một lớp tinh thể lỏng được đặt xen giữa hai lớp nền thuỷ tinh, một lớp có các điện cực thanh(segment electrodes :SEG1, SEG2, và hơn nữa), lớp còn lại có các điện cực chung( common electrodes (COM1, COM2, và hơn nữa) Mỗi giao điểm của một thanh và điện cực chung thì hiển thị một điểm ảnh

LCD được điều khiển như sau: Điện cực chung được lựa chọn liên tục Các điểm ảnh trên điện cực được lựa chọn thì có thể mở hoặc tắt tín hiệu lựa chọn/không lựa chọn của thanh điện cực tương ứng Điều này được gọi là điều khiển kép

Các bộ lái LCD được phân thành hai loại: bộ lái chung và bộ lái các thanh

Bộ lái chung lái các điện cực chung, và bộ lái thanh các điện cực thanh

LCD driver

Trang 40

3.2.3 Bộ điều khiển LCD:

Bộ xử lý trung tâm MPU không thể giao tiếp trực tiếp với bộ lái LCD Vì vậy bộ điều khiển LCD được đặt giữa bộ xử lý và bộ lái LCD để điều khiển giao tiếp giữa chúng

Bộ điều khiển LCD nhận thông tin hiển thị từ MPU, chuyển chúng thành tín hiệu điều hoà hiển thị và yêu cầu các bộ lái LCD hiển thị, và chuyển chúng cho các

information

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	1,75 MB