THIẾT kê, CHẾ tạo bộ điều KHIỂN các THIẾT bị điện TRÊN cơ sở ỨNG DỤNG VI điều KHIỂN PIC

Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộngvới sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên chúng tôi đã chọn đề tài "Thiết kế chế tạo bộ điều khiển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: THIẾT KÊ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ

ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC

Giảng viên hướng dẫn: ThS Tạ Hùng Cường Sinh viên thực hiện : Nguyễn Khắc Hải

NGHỆ AN - 2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 2

LỜI CÁM ƠN 3

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 4

CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 5

CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 6

CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 8

Chương 1 GIỚI THIÊU VI ĐIỀU KHIỂN PIC VÀ CƠ SỞ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 9

1.1 Giới thiệu về PIC 9

1.1.1 Cấu trúc phần cứng của PIC 9

1.1.2 PIC 16F84A 10

1.1.3 Phân loại và lựa chọn vi điều khiển PIC 12

1.1.4 Ngôn ngữ lập trình cho pic 13

1.1.5 Thiết bị nạp cho PIC 14

1.2 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM 17

1.2.1 Tổng quan về GSM 17

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM 18

1.2.2 Giao diện vô tuyến 18

1.2.3 Mã hóa âm thanh 19

1.2.4 Cấu trúc hệ thống GSM 20

Kết luận chương 1 21

Chương 2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 22

2.1 Bộ điều khiển các thiết bị điện 22

2.2 Phân tích chức năng hoạt động của các thành phần 23

2.3 Xây dựng mạch nguyên lý điều khiển các thiết bị điện 25

2.3.1 Các thiết bị sử dụng trong đề tài 25

2.3.2 Keypad 26

2.3.5 Thiết bị điều khiển ngoại vi bằng Relay 31

2.3.6 Hệ thống đóng/ mở đèn chiếu sáng 33

2.3.2 Điều khiển thiết bị ngoại vi dung mạch cầu H 33

Kết luận chương 2 34

Chương 3 THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 35

3.1 Thiết kế chế tạo phần cứng 35

3.1.1 Co sở nguyên lý mạch điều khiển dung PIC 35

3.1.2 Mạch in thực tế sau khi thiết kế 37

3.2 Lập trình điều khiển thiết bị điện 37

3.2.1 Giới thiệu phần mềm lập trình cho PIC 37

3.2.2 Kết quả chế tạo mạch điều khiển 43

Kết luận chương 3 43

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật,công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai tròquan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấpthông tin Do đó là một sinh viên chuyên ngành điện tử chúng ta phải biết nắm bắt

và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoahọc kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển vi cơ điện tử nói riêng Bêncạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà

Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua điệnthoại, gồm có các thiết bị đơn giản như bóng đèn, quạt máy, lò sưởi đến các thiết bịtinh vi, phức tạp như tivi, máy giặt, hệ thống báo động … Nó hoạt động như mộtngôi nhà thông minh Nghĩa là tất cả các thiết bị này có thể giao tiếp với nhau vềmặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm Đầu não trung tâm ở đây có thể làmột máy vi tính hoàn chỉnh hoặc có thể là một bộ xử lí đã được lập trình sẵn tất cảcác chương trình điều khiển

Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộngvới sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên chúng tôi đã chọn đề tài

"Thiết kế chế tạo bộ điều khiển các thiết bị điện trên cơ sở ứng dụng Vi điều khiểnPIC" Đề tài được trình bày trong 3 chương:

- Chương 1: Chương này giói thiệu về vi điều khiển PIC; phân tích chức năng cácthành phần của PIC

- Chương 2: Chương này trình bày sơ đồ khối hệ thống, các thiết bị điều khienr;

- Chương 3: Thiết kế, thi công mô hình điều khiển các thiết bị điện trên cơ sở sử dụng vi điều khiển PIC;

- Cuối cùng là phần kết luận và phương hướng phát triển của đề tài

Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức, chắc chắn đề tài không tránhđược những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, bạn bè

để đồ án được hoàn thiện

LỜI CÁM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới các Quý thầy cô

giáo trong trường Đại học Vinh nói chung và các thầy cô giáo trong khoa Điện tử Viễn thông đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến ThS Tạ Hùng Cường, thầy đã tận tìnhgiúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.Trong thời gian làm việc với thầy, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức

bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêmtúc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và

công tác sau này

Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến

và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Em xin chân thành cám ơn!

Nghệ An, 20 tháng 05 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Khắc Hải

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này đã đi sâu tìm hiểu hệ thống điều khiển các thiết bị ngoại vi trên cơ

sở sử dụng vi điều khiển PIC; Ứng dụng vào thiết kế chế tạo mô hình điều khiển

các thiết bị dân dụng trong ngôi nhà thông minh sử dụng điện thoại di động.

CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Bảng 1 1 Bảng danh sách các phím chức năng 25

Bảng 1 2 Bảng các cặp tần số tương ứng với các phím chức năng 26

Bảng 1 3 Bàn phím chuẩn 12 nút 28

Bảng 1 4 Bàn phím mở rộng 16 phím 28

Bảng 1 5 Bảng trạng thái MT8870 30

CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Hình 1 1 Vi điều khiển PIC16F877A 9

Hình 1 2 Sơ đồ khối vi diều khiển PIC 9

Hình 1 3 PIC 16F84A 11

Hình 1 4 PIC 16F84A 11

Hình 1 5 Cửa sổ phần mềm PICBasic 13

Hình 1 6 mạch nạp DM programmer 16

Hình 1 7 Mạch nạp MCP-USB 16

Hình 1 8 mạch nạp P16PRO40 17

Hình 1 9 Mạch nạp Universal của Williem 17

Hình 1 10 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM 18

Hình 1 11 Cấu trúc hệ thống GSM 20

Hình 2 1 Sơ đồ khối của hệ thống 24

Hình 2 2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển 24

Hình 2 3 Sơ đồ mạch của bộ điều khiển 25

Hình 2 4 Dạng tín hiệu DTMF 28

Hình 2 5 IC thu DTMF MT8870 30

Hình 2 6 Sơ đồ khối của MT8870 31

Hình 2 7 IC đệm ULN 2003 32

Hình 2 8 Cấu tạo IC ULN 2003 32

Hình 2 9 Mạch Relay 33

Hình 2 10 Sơ đồ cấu tạo của Relay 33

Hình 2 11 Sơ đồ mắc Relay vào mạch 34

Hình 2 12 Mạch Realay 34

Hình 2 14 Mạch đóng/ mở đèn chiếu sáng 35

Hình 2 15 Mạch cầu H 35

Hình 3 1 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm 36

Hình 3 2 Khối thu và giải mã DTMF 37

Hình 3 3 Khối nguồn nuôi 37

Hình 3 4 Khối điều khiển thiết bị điện 37

Hình 3 5 Sơ đồ nguyên lý khối đóng ngắt thiết bị điện 38

Hình 3 6 Sơ đồ mạch in thực tế sau thiết kế 38

Hình 3 7 Giao diện phần mềm CCS 39

Hình 3 8 Giao diện phần mềm CSS 40

Hình 3 9 Cửa sổ chọn Files cần tạo 40

Hình 3 10 Tab General 41

Hình 3 11 Lưu đồ thuật toán 42

Hình 3 12 Mạch thực tế sau khi thiết kế và chạy thử 45

Hình 3 13 Mô hình thực tế 45

CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

PIC Peripheral Interface Controller Vi điều khiển

Memory

Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh

EEPROM Electrically Erasable Programmable

Chương 1 GIỚI THIÊU VI ĐIỀU KHIỂN PIC

1.1 Giới thiệu về PIC

PIC (Peripheral Interface Controller) là IC lập trình dùng để điều khiển cácthiết bị tự động, với các bộ nhớ chương trình (Flash ROM) và bộ nhớ đệm (SRAM)

Có thể xem PIC là một máy tính nhỏ, do trong PIC có bộ phận xử lý các mã lệnh,quen gọi là các chương trình đã được Bạn cho cài đặt vào bộ nhớ Flash ROM, có bộnhớ SRAM, như vậy có thể xem PIC là loại IC đơn phiến, nghĩa là một mình nó cóthể đủ cấu tạo thành một thiết bị vi điều khiển hoàn chỉnh Chúng ta biết bộ nhớtrong PIC thường có dung lượng nhỏ (dung lượng lớn nhỏ còn tùy theo loại PIC).Tần số xung nhịp của PIC, tối đa thường là 20MHz và dung lượng bộ nhớ thường từ1K đến 4K

Hình 1 1 Vi điều khiển PIC16F877A

1.1.1 Cấu trúc phần cứng của PIC

Cấu trúc của PIC gồm các khối như sau:

Hình 1 2 Sơ đồ khối vi diều khiển PIC

Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Havard Điểm khácbiệt giữa kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và

bộ nhớ chương trình Đối với kiến trúc Von-Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớchương trình nằm chung trong một bộ nhớ, do đó ta có thể tổ chức, cân đối mộtcách linh hoạt bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu Tuy nhiên điều này chỉ có ýnghĩa khi tốc độ xử lí của CPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó, trong cùng một thờiđiểm CPU chỉ có thể tương tác với bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình Nhưvậy có thể nói kiến trúc Von-Neuman không thích hợp với cấu trúc của một vi điềukhiển

Đối với kiến trúc Havard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách rathành hai bộ nhớ riêng biệt Do đó trong cùng một thời điểm CPU có thể tương tácvới cả hai bộ nhớ, như vậy tốc độ xử lí của vi điều khiển được cải thiện đáng kể.Một điểm cần chú ý nữa là tập lệnh trong kiến trúc Havard có thể được tối ưu tùytheo yêu cầu kiến trúc của vi điều khiển mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu

Ví dụ, đối với vi điều khiển dòng 16F, độ dài lệnh luôn là 14 bit (trong khi dữ liệuđược tổ chức thành từng byte), còn đối với kiến trúc Von-Neuman, độ dài lệnh luôn

là bội số của 1 byte (do dữ liệu được tổ chức thành từng byte) Đặc điểm này đượcminh họa cụ thể trong hình 1.1

1.1.2 PIC 16F84A

Đặc điểm của PIC 16F84A như sau:

Chỉ dùng 35 câu lệnh để viết tất cả các chương trình nguồn cho PIC16Fxx.Tất cả các câu lệnh chỉ dùng 1 chu kỳ máy, các câu lệnh nhẩy dùng 2 chu kỳ máy.Tốc độ vận hành: dùng xung nhịp là 20MHz và chu kỳ máy là 200ns Có bộ nhớchương trình (Flash Program Memory) 1024 Word (1K x 14) Bộ nhớ RAM (RAMFile Rigister) 68 byte Bộ nhớ dữ liệu EEPROM 64 byte Chiều rộng câu lệnh là 1Word 14 bit Xử lý dữ liệu dạng 8 bit (1 byte) Có 15 thanh ghi chuyên dụng SFR(Special Function Register) trong RAM Dùng ngăn xếp có chiều xâu 8 lớp Cómode truy cập theo địa chỉ trực tiếp, gián tiếp và địa chỉ tương đối Có 4 dạng ngắt:

- Ngắt ngoài trên tín hiệu trên chân RB0/INT

- Ngắt theo bit báo tràn của Timer 0

- Ngắt theo sự thay đổi trên các chân RB4, RB5, RB6, RB7

- Ngắt khi ghi xong dữ liệu vào bộ nhớ EEPROM

Hình 1 3 PIC 16F84A

Có 13 chân dùng xuất nhập dữ liệu (Ở cảng Port A có 5 chân và Port B có 8chân) Có khả năng cấp dòng chảy vào/chảy ra đủ lớn: 25mA, đủ cấp cho các Ledchiếu sáng Có 1 đồng hồ Timer 0 (TMR0), dùng thanh đếm xung 8 bit, nên đếmđược tối đa 256 nhịp Với bộ nhớ chương trình Flash Program Memory, có thể xóaghi được 1000 lần Với bộ nhớ EEPROM có thể xóa ghi dữ liệu đến 1000000 lần

Dữ liệu cất giữ trong bộ nhớ EEPROM có thể an toàn tên 40 năm Có thể lập trình

và nạp ngay trên bo (ICSP, In-Circuit Serial Programming) chỉ dùng 2 chân Cóchức năng POR (Power On Reset), PWRT (Power-up Timer), OST (Oscillator Start-up Timer) Chức năng Watch-dog (WDT) làm việc với mạch dao động RCriêng trong IC Có mode bảo vệ mã (Code Protection) Có mode Sleep dùng tiếtkiệm điện năng khi ở trạng thái chờ Có nhiều tùy chọn cho mạch dao động tạoxung nhịp chính Làm việc với mức nguồn nuôi trong khoảng 2V đến 5.5V

Hình 1 4 PIC 16F84A

Chức năng các chân như sau:

- OSC1/CLKIN là chân ngả vào của mạch dao động thạch anh Định tần choxung nhịp và cũng là một ngả vào của mạch tạo xung nhịp

- OSC2/CLKOUT là chân ngả ra của mạch dao động thạch anh và là ngả racủa xung nhịp.

- MCLR (Master Clear) là chân Reset, tác dụng của lệnh Reset là trả chươngtrình về địa chỉ 0000h Lệnh tác dụng ở mức áp thấp

- RA0, RA1, RA2, RA3, là các chân xuất nhập của bến cảng Port A

- RA4/TOCKI là chân đa nhiệm, vừa làm chân xuất nhập của Port A và lại làchân lấy xung cho thanh đếm của đồng hồ Timer 0 (ở chân này có cực Drain để hở)

- RB0/INT là chân đa nhiệm, vừa làm chân xuất nhập của Port B và lại là chânphát động theo ngắt ngoài Các chân của Port B có thể được lập trình để có trởkháng lớn dùng để làm ngả vào, nhập trạng thái ngoài vào PIC

- RB1, RB2, RB3, là các chân xuất nhập của bến cảng Port B

- RB4, RB5, là các chân xuất nhập của Port B và phát động ngắt theo sự thayđổi trên các chân này

- RB6, là 1 chân xuất nhập của Port B và phát động ngắt theo sự thay đổi trênchân này Nó còn có thể lập trình để dùng chân này phát xung nhịp dùng cho côngnăng truyền dữ liệu nối tiếp

- RB7, là 1 chân xuất nhập của Port B và phát động ngắt theo sự thay đổi trênchân này Nó còn có thể lập trình để dùng chân này trao đổi dữ liệu dùng cho côngnăng truyền dữ liệu nối tiếp

- VSS là chân nối masse để lấy dòng (ở đây là dòng điện tử)

- VDD là chân nối vào đường nguồn dương (từ 2V đến 5.5V)

1.1.3 Phân loại và lựa chọn vi điều khiển PIC

Hiện nay, các dòng PIC được dùng trên thị trường gồm các loại sau :

Các kí 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 16C84 là 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 kí hiệu cũ

Bên cạnh đó một số vi điệu khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêmchữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash).Ngoài ra còn có thêm một dòng viđiều khiển PIC mới là dsPIC Ở Việt Nam phổbiến nhất là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất Cách lựa chọnmột vi điều khiển PIC phù hợp:

- Trước hết cần chú ý đến số chân của vi điều khiển cần thiết cho ứng dụng

Có nhiều vi điều khiển PIC với số lượng chân khác nhau, thậm chí có vi điều khiển chỉ có 8 chân,ngoài ra còn có các viđiều khiển 28, 40, 44, … chân

- Cần chọn vi điều khiển PIC có bộ nhớ flash để có thể nạp xóa chương trìnhđược nhiều lần hơn Tiếp theo cần chú ý đến các khối chức năng được tích hợp sẵntrong vi điều khiển,các chuẩn giao tiếp bên trong

- Sau cùng cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép

- Ngoài ra mọi thông tin về cách lựa chọn vi điều khiển PIC có thể được tìmthấy trong cuốn sách “Select PIC guide” do nhà sản xuất Microchip cung cấp

1.1.4 Ngôn ngữ lập trình cho pic

Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng Ngôn ngữ lập trình cấp thấp cóMPLAB (được cung cấp miễn phí bởi nhà sản xuất Microchip), các ngôn ngữ lậptrình cấp cao hơn bao gồm C,Basic, Pascal, … Ngoài ra còn có một số ngôn ngữ lậptrìnhđược phát triển dành riêng cho PIC như PICBasic, MikroBasic,…

Hình 1 5 Cửa sổ phần mềm PICBasic

1.1.5 Thiết bị nạp cho PIC

- Cấu trúc lệnh lập trình cho PIC

báo int1 là: int1 tốn 1 bit bộ nhớ, còn #BIT thì không tốn thêm bộ nhớ do name chỉ

danh định đại diện chi bit chỉ định ở biến x, thay đổi name (0/1) sẽ thay đổi giá trịtương ứng y -> thay đổi giá trị x

Ví dụ: #bit TMR1IF=0x0B.2; => tạo biến 1bit tên TMR1IF đặt ở byte có địa chỉ

Cú pháp: #define name text

Dùng để khai báo một chuỗi hoặc số có tên là name

Port là các cổng vào ra của PIC (từ A -> G)

Có chỉ thị này thì chúng ta có thể điều chỉnh các port chỉ với 1 lệnh

như output_low(),input_high() Chú ý: trong hàm main () bạn phải dùng

hàm set_tris_x() để chỉ rõ chân vào ra thì chỉ thị trên mới có hiệu lực, nếu không

chương trình sẽ chạy sai!

Ví dụ: #USE FAST_IO (A);

b Các hàm delay

Để sử dụng các hàm delay phải khai báo tiền xử lý như đã nói ở trên

ví dụ: #use delay (clock=20000000);

Hàm delay không sử dụng bất kỳ một timer nào Có 3 hàm phục vụ:

1 Delay_cycles (count)

count: hằng số từ 0 - 255, là số chu kỳ lệnh 1 chu kỳ lệnh bằng 4 chu kỳ máy nhé!

ví dụ: delay_cycles (25); với tần số dao động thạch anh OSC=20MHZ thì

hàm delay này 5us=5*10^-6s

2 Delay_us (time)

Time là biến số thì giá trị từ 0-255, nếu là hằng số thì 0-65535

ví dụ:

int time=100;

delay_us (time); //delay 100us

delay_us (1000); //delay 1000us

3 Delay_ms (time)

Tương tự với delay_us nhưng với đơn vị là ms=10^-3s.

Đây cũng là một dòng sản phẩm rất đa dạng dành cho vi điều khiển PIC Cóthể sử dụng các mạch nạp được cung cấp bởi nhà sản xuất là hãng Microchip như: PICSTART plus, MPLAB ICD 2, MPLAB PM 3, PRO MATE II Có thể dùngcác sản phẩm này để nạp cho vi điều khiển khác thông qua chương trình MPLAB.Dòng sản phẩm chính thống này có ưu thế là nạp được cho tất cả các vi điều khiểnPIC, tuy nhiên giá thành rất cao và thường gặp rất nhiều khó khăn trong quá trìnhmua sản phẩm Ngoài ra do tính năng cho phép nhiều chế độ nạp khác nhau, còn córất nhiều mạch nạp được thiết kế dành cho vi điều khiển PIC Có thể sơ lược một sốmạch nạp cho PIC như sau:

- JDM programmer: mạch nạp này dùng chương trình nạp Icprog cho phépnạp các vi điều khiển PIC có hỗ trợ tính năng nạp chương trình điện áp thấp ICSP

(In Circuit Serial Programming) Hầu hết các mạch nạp đều hỗ trợ tính năng nạpchương trình này

Hình 1 6 mạch nạp DM programmer

- WARP-13A và MCP-USB: hai mạch nạp này giống với mạch nạpPICSTART PLUS do nhà sản xuất Microchip cung cấp, tương thích với trình biêndịch MPLAB, nghĩa là ta có thể trực tiếp dùng chương trình MPLAB để nạp cho viđiều khiển PIC mà không cần sử dụng một chương trình nạp khác, chẳng hạn nhưICprog

Hình 1 7 Mạch nạp MCP-USB

- P16PRO40: mạch nạp này do Nigel thiết kế và cũng khá nổi tiếng Ông cònthiết kế cả chương trình nạp, tuy nhiên ta cũng có thể sử dụng chương trình nạpIcprog

Hình 1 8 mạch nạp P16PRO40

- Mạch nạp Universal của Williem: đây không phải là mạch nạp chuyên dụngdành cho PIC như P16PRO40 Các mạch nạp kể trên có ưu điểm rất lớn là đơngiản, rẻ tiền, hoàn toàn có thể tự lắp ráp một cách 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 tìmđược và download miễn phí thông qua mạng Internet Tuy nhiên các mạch nạp trên

có nhược điểm là hạn chế về số vi điều khiển được hỗ trợ, bên cạnh đó mỗi mạchnạp cần được sử dụng với một chương trình nạp thích hợp

Hình 1 9 Mạch nạp Universal của Williem

1.2 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM

1.2.1 Tổng quan về GSM

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng Anh: Global System for MobileCommunications; tiếng Pháp: Groupe Spécial Mobile; viết tắt: GSM) là một côngnghệ dùng cho mạng thông tin di động Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷngười trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ Các mạng thông tin di động GSM chophép có thể roaming với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của cácmạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới

Hình 1 10 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM

GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới.Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trênthế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trênthế giới GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chấtlượng cuộc gọi Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (secondgeneration, 2G) GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rdGeneration Partnership Project (3GPP) Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thếchính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn.Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều ngườicung ứng GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi,

vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới

1.2.2 Giao diện vô tuyến

GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào (cell) do đó cácmáy điện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất.Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 tần số Hầu hết thì hoạt động ở tần số

900 MHz và 1800 MHz Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng tần số 850 MHz và

1900 MHz do tần số 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng trước

Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400 MHz hay 450 MHz chỉ có

ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác

Các mạng sử dụng tần số 900 MHz thì đường lên (từ thuê bao di động đến

downlink sử dụng tần số trong dải 935–960 MHz Và chia các băng tần này thành

124 kênh với độ rộng băng thông 25 MHz, mỗi kênh cách nhau 1 khoảng 200 kHz.Khoảng cách song công (đường lên & xuống cho 1 thuê bao) là 45 MHz

Ở một số nước, băng tần chuẩn GSM900 được mở rộng thành E-GSM, nhằmđạt được dải tần rộng hơn E-GSM dùng 880–915 MHz cho đường lên và 925–

960 MHz cho đường xuống Như vậy, đã thêm được 50 kênh (đánh số 975 đến 1023

và 0) so với băng GSM-900 ban đầu E-GSM cũng sử dụng công nghệ phân chia

theo thời gian TDM (time division multiplexing), cho phép truyền 8 kênh thoại toàn

tốc hay 16 kênh thoại bán tốc trên 1 kênh vô tuyến Có 8 khe thời gian gộp lại gọi làmột khung TDMA Các kênh bán tốc sử dụng các khung luân phiên trong cùng khethời gian Tốc độ truyền dữ liệu cho cả 8 kênh là 270.833 kbit/s và chu kỳ của mộtkhung là 4.615 m

Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watt đối với băngGSM 850/900 MHz và tối đa là 1 watt đối với băng GSM 1800/1900 MHz

1.2.3 Mã hóa âm thanh

GSM sử dụng khá nhiều kiểu mã hóa thoại để nén tần số audio 3,1 kHz vàotrong khoảng 6.5 and 13 kbit/s Ban đầu, có 2 kiểu mã hoá là bán tốc (haft rate -5.6kbps)và toàn tốc (Full Rate -13 kbit/s)) Để nén họ sử dụng hệ thống có tên là mãhóa dự đoán tuyến tính (linear predictive coding -LPC)

GSM được cải tiến hơn vào năm 1997 với mã hóa EFR (mã hóa toàn tốc cảitiến -Enhanced Full Rate), kênh toàn tốc nén còn 12.2 kbit/s Sau đó, với sự pháttriển của UMTS, EFR được tham số lại bởi kiểu mã hóa biến tốc, được gọi là AMR-Narrowband

Có tất cả bốn kích thước cell site trong mạng GSM đó là macro, micro, pico vàumbrella Vùng phủ sóng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường Macro cellđược lắp trên cột cao hoặc trên các toà nhà cao tầng, micro cell lại được lắp ở cáckhu thành thị, khu dân cư, pico cell thì tầm phủ sóng chỉ khoảng vài chục mét trở lại

nó thường được lắp để tiếp sóng trong nhà Umbrella lắp bổ sung vào các vùng bịche khuất hay các vùng trống giữa các cell

Bán kính phủ sóng của một cell tuỳ thuộc vào độ cao của anten, độ lợi antenthường thì nó có thể từ vài trăm mét tới vài chục km Trong thực tế thì khả năng phủsóng xa nhất của một trạm GSM là 35 km (22 dặm)

Một số khu vực trong nhà mà các anten ngoài trời không thề phủ sóng tới nhưnhà ga, sân bay, siêu thị thì người ta sẽ dùng các trạm pico để chuyển tiếp sóng từcác anten ngoài trời vào.

1.2.4 Cấu trúc hệ thống GSM

Hình 1 11 Cấu trúc hệ thống GSM

Một mạng GSM để cung cấp đầy đủ các dịch vụ cho khách hang cho nên nókhá phức tạp vì vậy sau đây sẽ chia ra thành các phần như sau: chia theo phân hệ:

- Phân hệ chuyển mạch NSS: Network switching SubSystem

- Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS: Radio SubSystem

- Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS: Operation and MaintenanceSubSystem

Chức năng của BSC:

- điều khiển một số trạm BTS xử lý các bản tin báo hiệu

- Khởi tạo kết nối

- Điều khiển chuyển giao: Intra & Inter BTS HO

- Kết nối đến các MSC, BTS và OMC

Chức năng của BTS:

- Thu phát vô tuyến

- Mã hóa và giải mã

- Mật mã / giải mật mã

- Điều chế / giải điều chế

BSS nối với NSS thông qua luồng PCM cơ sở 2 Mbps

Mạng và hệ thống chuyển mạch Network and Switching Subsystem (phần nàygần giống với mạng điện thoại cố định) Đôi khi người ta còn gọi nó là mạng lõi(core network)

Phần mạng GPRS (GPRS care network) Phần này là một phần lắp thêm đểcung cấp dịch vụ truy cập Internet

Và một số phần khác phục vụ việc cung cấp các dịch vụ cho mạng GSM nhưgọi, hay nhắn tin SMS

Máy điện thoại - Mobile Equipment

Thẻ SIM (Subscriber identity module)

1.2.5 Module nhận dang thuê bao

Một bộ phận quan trọng của mạng GSM là modul nhận dạng thuê bao, cònđược gọi là thẻ SIM SIM là 1 thẻ nhỏ, được gắn vào máy di động, để lưu thông tinthuê bao và danh bạ điện thoại Các thông tin trên thẻ SIM vẫn được lưu giữ khi đổimáy điện thoại Người dùng cũng có thể thay đổi nhà cung cấp khác, nếu đổi thẻSIM Một số rất ít nhà cung cấp dịch vụ mạng ngăn cản điều này bởi việc chỉ chophép 1 máy dùng 1 SIM hay dùng SIM khác, nhưng do họ sản xuất, được gọi là tìnhtrạng Khóa SIM Ở Australia, Bắc Mỹ và châu Âu, một số nhà khai thác mạng viễnthông tiến hành khóa máy di động họ bán Lý do là giá của các máy này đượcnhững nhà cung cấp đó tài trợ, và họ không muốn người dùng mua máy đó để xàicho hãng khác Người dùng cũng có thể liên hệ với nhà sản xuất để đăng ký gỡ bỏkhóa máy Số được khóa theo máy di động là số Nhận dạng máy di động quốc tếIMEI (International Mobile Equipment Identity), chứ không phải số thuê bao

Kết luận chương 1

Chương 1 đã nghiên cứu và tìm hiểu về khái niệm, cấu trúc và ngôn ngữ lậptrình cho PIC, ngoài ra còn tìm hiểu về tín hiệu DTMF và hẹ thống thông tin diđộng toàn cầu GSM

Chương 2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC

2.1 Bộ điều khiển các thiết bị điện

Hệ thống điều khiển các thiết bị điện được xây dựng dựa trên sơ đồ khối sauđây

Hình 2 1 Sơ đồ khối của hệ thống

Bộ điềug khiển gồm các khối chính sau:

- Khối thiết bị người dùng;

- Bộ điều khiển trung tâm;

- Khối thiết bị ngoại vi

Người sử dụng có thể điện thoại, máy tính bảng có hỗ trợ mạng thoại để gửitín hiệu tới bộ điều khiển tác động lên các thiết bị điện trong gia đình Điều này rấtthuật tiện khi thường xuyên phải ra khỏi nhà và muốn điều khiển hoạt động của cácthiết bị điện trong ngôi nhà

Hình 2 2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển

Bộ điều khiển gồm 5 khối cơ bản:

- Khối giao tiếp điện thoại

- Khối giao giải mã

- Khối vi xử lý

- Khối chấp hành

- Khối nguồn

Thiết bị người dùng

Bộ điều khiển Trung tâm

Bộ điều khiển ngoại vi

Khối giao tiếp điện