BÁO CÁO ĐỒ ÁN, Vi điều khiển ATmega16
BÁO CÁO ĐỒ ÁN Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Thế Phương Học Sinh : Hà Quốc Anh Phần I Cơ sở lý thuyết I Vi điều khiển ATmega16 ATmega16 vi điều khiển bit dựa kiến trúc RISC Với khả thực lệnh vòng chu kỳ xung clock, ATmega16 đạt tốc độ 1MIPS MHz Ngồi ATmega16 có đặc điểm sau: 16KB nhớ Flash với khả đọc ghi, 512 byte nhớ EEPROM, 1KB nhớ SRAM, 32 ghi chức chung, 32 đường vào chung, định thời/bộ đếm, ngắt nội ngắt ngoại, USART, giao tiếp nối tiếp dây, kênh ADC 10 bit, ATmega 16 hỗ trợ đầy đủ chương trình cơng cụ phát triển hệ thống như: trình dịch C, macro assemblers, chương trình mơ phỏng/sửa lỗi, … Hình Hình ảnh thực tế vi điều khiển Atmega16 Hình Sơ đồ chân ATmega16 Cấu trúc nhân CPU Atmega16 có chức bảo đảm hoạt động xác chương trình Do phải có khả truy cập nhớ, thực q trình tính toán, điều khiển thiết bị ngoại vi quản lý ngắt - Cấu trúc tổng quát AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng nhớ bus cho chương trình liệu Các lệnh thực chu kỳ xung clock Bộ nhớ chương trình lưu nhớ Flash Hình Cấu trúc tổng quát Atmega16 - ALU ALU làm việc trực tiếp với ghi chức chung Các phép toán thực chu kỳ xung clock Hoạt động ALU chia làm loại: đại số, logic theo bit - Thanh ghi trạng thái Đây ghi trạng thái có bit lưu trữ trạng thái ALU sau phép tính số học logic Hình Thanh ghi trạng thái Trong đó: + C: Carry Flag: cờ nhớ (Nếu phép tốn có nhớ cờ thiết lập) + Z: Zero Flag: Cờ zero (Nếu kết phép toán 0) + N: Negative Flag: (Nếu kết phép toán âm) + V: Two’s complement overflow indicator (Cờ thiết lập tràn số bù 2) + H: Half Carry Flag + T: Transfer bit used by BLD and BST instructions: (Được sử dụng làm nơi chung gian lệnh BLD,BST) + I: Global Interrupt Enable/Disable Flag: (Đây bit cho phép toàn cục ngắt Nếu bit trạng thái logic khơng có ngắt phục vụ.) - Các ghi chức chung Hình 5: Các ghi chức chung - Con trỏ ngăn xếp (SP) Là ghi 16 bit xem hai ghi chức đặc biệt bit Có địa ghi chức đặc biệt $3E (trong nhớ RAM $5E) có nhiệm vụ trỏ tới vùng nhớ RAM chứa ngăn xếp Hình 6: Thanh ghi trỏ ngăn xếp - Quản lý ngắt Ngắt chế cho phép thiết bị ngoại vi báo cho CPU biết tình trạng sẵn sàng cho đổi liệu mình.Ví dụ: truyền nhận UART nhận byte báo cho CPU biết thông qua cờ RXC, truyền byte cờ TX thiết lập … Khi có tín hiệu báo ngắt CPU tạm dừng công việc đạng thực lại lưu vị trí thực hiên chương trình (con trỏ PC) vào ngăn xếp sau trỏ tới vector phuc vụ ngắt thức chương trình phục vụ ngắt chơ tới gặp lệnh RETI (return from interrup) CPU lại lấy PC từ ngăn xếp tiếp tục thực chương trình mà trước có ngăt thực Trong trường hợp mà có nhiều ngắt u cầu lúc CPU lưu cờ báo ngắt lại thực ngắt theo mức ưu tiên Trong thực ngắt mà xuất ngắt xảy hai trường hợp Trường hợp ngắt có mức ưu tiên cao phục vụ Còn mà có mức ưu tiên thấp bị bỏ qua Bộ nhớ ngăn xếp vùng SRAM từ địa 0x60 trở lên Để truy nhập vào SRAM thông thường ta dùng trỏ X, Y, Z để truy nhập vào SRAM theo kiểu ngăn xếp ta dùng trỏ SP Con trỏ ghi 16 bit truy nhập hai ghi bit chung có địa chỉ: SPL: 0x3D/0x5D(IO/SRAM) SPH:0x3E/0x5E Khi chương trình phục vụ ngắt chương trình trỏ PC lưu vào ngăn xếp trỏ ngăn xếp giảm hai vị trí.Và trỏ ngăn xếp giảm thực lệnh PUSH Ngược lại thực lệnh POP trỏ ngăn xếp tăng thực lệnh RET RETI trỏ ngăn xếp tăng Như trỏ ngăn xếp cần chương trình đặt trước giá trị khởi tạo ngăn xếp trước chương trình gọi ngắt cho phép phục vụ Và giá trị ngăn xếp phải lớn 60H (0x60) 5FH trỏ lại vùng ghi Sơ đồ khối: Hình 7: Sơ đồ khối Ý nghĩa chân + ChânVCC: Chân số 10 VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển Nguồn điện cấp + + + + + + + + + khoảng +5V ± 0,5 Chân GND: Chân số11 chân số 31 nối GND(hay nối Mass) Khi thiết kế cần sử dụng mạch ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách đơn giản sử dụng IC ổn áp 7805 Port A (PA): Port A gồm chân (từ chân 33 đến 40) có chức năng: đầu vào cho chuyển đổi ADC Port B (PB): Port PB gồm chân (từ chân đến chân 8), ngồi có chức làm đường xuất/nhập có nhiều chức phụ khác Port C (PC): Port C gồm chân (từ chân 22 đến chân 29) : Nếu giao tiếp JTAG kích hoạt điện trở PC5(TDI), PC3 (TMS) ,PC2 (TCK) kích hoạt khởi động lại (reset) Port D (PD): Port D gồm chân (từ chân 14 đến 21):chưc xuất nhập Chân RESET(RST): Ngõ vào RST chân ngõ vào Reset dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho vi điều khiển Hệ thống thiết lập lại giá trị ban đầu ngõ mức tối thiểu chu kì máy Chân XTAL1 XTAL2: Hai chân có vị trí chân 12 13 sử dụng để nhận nguồn xung clock từ bên để hoạt động, thường ghép nối với thạch anh tụ để tạo nguồn xung clock ổn định Chân AVCC: Nguồn cấp cho cổng A chuyển đổi ADC , chân nên nối với nguồn cấp VCC bên , chuyển đổi ADC không sử dụng Nếu chuyển đổi ADC không sử dụng , chân AVCC nên nối với nguồn qua lọc Chân AREF: AREF chân chuẩn analog cho chuyển đổi ADC Bộ định thời + + + + + + + Bộ định thời (timer/counter) module định thời/đếm bit, có đặc điểm sau: Bộ đếm kênh Xóa định thời mode so sánh PWM Tạo tần số Bộ đếm kiện Bộ chia tần 10 bit Nguồn ngắt tràn đếm so sánh TCNT0 OCR0 ghi bit Các tín hiệu yêu cầu ngắt nằm ghi TIFR Các ngắt che ghi TIMSK Bộ định thời sử dụng xung clock nội thơng qua chia xung clock ngồi chân T0 Khối chọn xung clock điều khiển việc định thời đếm dùng nguồn xung để tăng giá trị Ngõ khối chọn xung clock xem xung clock định thời Thanh ghi OCR0 so sánh với giá trị định thời/bộ đếm Kết so sánh sử dụng để tạo PWM biến đổi tần số ngõ chân OC0 Phần định thời bit đơn vị đếm song hướng lập trình Cấu trúc hình đây: Hình Sơ đồ đơn vị đếm + + + + + Count: tăng hay giảm TCNT0:1 Direction: lựa chọn đếm lên đếm xuống Clear: xóa ghi TCNT0 TOP: báo hiệu định thời đẫ tăng đến giá trị lớn BOTTOM: báo hiệu định thời giảm đến giá trị nhỏ Bộ so sánh bit liên tục so sánh giá trị TCNT0 với giá trị ghi so sánh ngõ (OCR0) Khi giá trị TCNT0 với OCR0, so sánh tạo báo hiệu Báo hiệu đặt giá trị cờ so sánh ngõ (OCF0) lên vào chu kỳ xung clock Nếu kích hoạt (OCIE0=1), cờ OCF0 tạo ngắt so sánh ngõ tự động xóa ngắt thực thi Cờ OCF0 xóa phần mềm Hình Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ Mơ tả ghi • Thanh ghi điều khiển định thời/bộ đếm TCCR0 + Bit (FOC0): so sánh ngõ bắt buộc: bit tích cực bit WGM00 định chế độ làm việc PWM Khi đặt bit lên 1, báo hiệu so sánh bắt buộc xuất đơn vị tạo dạng sóng + Bit (WGM00) – bit (WGM01): chế độ tạo dạng sóng: bit điều khiển hoạt động chân OC0 Nếu hai bit COM01, COM00 đặt lên 1, ngõ OC0 hoạt động + Bit (CS02), bit (CS01), bit (CS00): chọn xung đồng hồ: ba bit dùng để lựa chọn nguồn xung cho định thời/bộ đếm Hình 10 Lựa chọn nguồn xung cho định thời • Thanh ghi định thời/bộ đếm Thanh ghi định thời/bộ đếm cho phép truy cập trực tiếp vào đếm bit • Thanh ghi so sánh ngõ – OCR0 Thanh ghi chứa giá trị bit liên tục so sánh với giá trị đếm • Thanh ghi mặt nạ ngắt + + Bit (OCIE0): cho phép ngắt báo hiệu so sánh Bit (TOIE0): cho phép ngắt tràn đếm • Thanh ghi cờ ngắt định thời + + Bit (OCF0): Cờ so sánh ngõ Bit (TOV0): Cờ tràn đếm Bit TOV0 đặt lên đếm bị tràn xóa phần cứng vector ngắt tương ứng thực Bit xóa phần mềm II Động điện chiều Cấu tạo Cấu tạo động điện gồm stator, rotor hệ thống chổi than – vành góp Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) gồm bối dây đặt rãnh lõi sắt Số lượng cực từ phụ thuộc tốc độ quay Đối với động cơng suất nhỏ, người ta kích từ nam châm vĩnh cửu Rotor (còn gọi phần ứng) gồm thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt phần tử dây quấn phần ứng Điện áp chiều đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp Kết cấu giá đỡ chổi than có khả điều chỉnh áp lực tiếp xúc tự động trì áp lực tùy theo độ mòn chổi than Chổi than – vành góp có chức đưa điện áp chiều vào cuộn dây phần ứng đổi chiều dòng điện cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than số lượng cực từ (một nửa có cực tính dương nửa có cực tính âm) Nguyên lý làm việc Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp kích từ Uk dây quấn kích từ xuất dòng kích từ ik mạch từ mách có từ thơng Φ Tiếp đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng dây quấn phần ứng có dòng điện I chạy qua Tương tác dòng điện phần ứng từ thơng kích thích tạo thành moment điện từ Moment điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục Giá trị moment điện từ tính cơng thức: Trong đó: p số đơi cực động điện; n số dẫn phần ứng cực từ; a số mạch nhánh song song dây quấn phần ứng; k hệ số kết cấu máy Cơ chế sinh lực quay động điện chiều Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương bị tác động lực hướng lên, cạnh đối diện lại bị tác động lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực gây tác động quay lên cuộn dây, làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục chiều, cổ góp điện làm chuyển mạch dòng điện sau vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề mặt cuộn dây song song với đường sức từ trường Nghĩa lực quay động cuộn dây lệch 900 so với phương ban đầu nó, rotor quay theo qn tính Trong máy điện chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối nhiều phiến góp khác cổ góp Nhờ dòng điện lực quay liên tục không bị thay đổi theo vị trí khác rotor Phương trình động chiều: Với: Φ: Từ thông cực (Wb) Iu: dòng điện phản ứng (A) V: điện áp phản ứng (V) Ru: điện trở phản ứng (Ω) ω: tốc độ động (rad/s) M: moment động (N/m) K: số, phụ thuộc cấu trúc động Phân loại - Động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu - Động chiều kích từ độc lập (phần ứng phần kích từ cung cấp hai nguồn riêng - rẽ) Động chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích mắc nối tiếp với phần ứng Động chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích mắc song song với phần ứng Động chiều kích từ hỗn hợp: gồm có cuộn dây kích thích, cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn lại mắc song song với phần ứng (*) Mô mạch Proteus