Ứng dụng vi điều khiển PIC16f877a để chế tạo bộ thí nghiệm đo đạc tự động đặc tuyến Volt-Ampere của một số linh kiện điện tử

Báo cáo này trình bày việc ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A để thiết kế và chế tạo một bộ thí nghiệm đo đạc đặc tuyến Volt-Ampere của một số linh kiện điện tử (điện trở, diode, transistor). Với khả năng đo tự động, nhanh chóng, cho kết quả với độ chính xác cao, cùng với khả năng giao tiếp với người sử dụng qua máy tính cá nhân bằng kết nối bluetooth, bộ thí nghiệm này bước đầu hỗ trợ cho công tác giảng dạy các kiến thức điện một chiều trong chương trình Vật lí lớp 11 trung học phổ thông.

Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A ĐỂ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐO ĐẠC TỰ ĐỘNG ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE CỦA MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Phan Nhựt Huân, Trần Thanh Phương (Sinh viên năm 3, Khoa Vật lí) GVHD: CN Nguyễn Tấn Phát TĨM TẮT Báo cáo trình bày việc ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A để thiết kế chế tạo thí nghiệm đo đạc đặc tuyến Volt-Ampere số linh kiện điện tử (điện trở, diode, transistor) Với khả đo tự động, nhanh chóng, cho kết với độ xác cao, với khả giao tiếp với người sử dụng qua máy tính cá nhân kết nối bluetooth, thí nghiệm bước đầu hỗ trợ cho công tác giảng dạy kiến thức điện chiều chương trình Vật lí lớp 11 trung học phổ thông Giới thiệu đề tài Trong q trình sử dụng dụng cụ thí nghiệm có trường phổ thơng để khảo sát đặc tuyến Volt-Ampere linh kiện điện tử, việc lắp đặt mạch phức tạp việc lấy số liệu nhiều lần đòi hỏi phải tiến hành tỉ mỉ, tốn nhiều thời gian nên thực tế giáo viên hạn chế sử dụng thí nghiệm tiết dạy Ngồi ra, nhu cầu đổi cải tiến thí nghiệm ngày xác nhu cầu cấp thiết Vì vậy, việc ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A để chế tạo thí nghiệm giao tiếp với người sử dụng qua máy vi tính kết nối bluetooth đo đạc tự động đặc tuyến Volt-Ampere số linh kiện điện tử giải pháp thiết thực, góp phần làm làm hiệu thí nghiệm có để phục vụ cho q trình dạy học Vật lí trường trung học phổ thông Trên sở ứng dụng tiến đại công nghệ vi điều khiển, đề tài muốn hướng đến mục tiêu đa dạng hóa thí nghiệm tạo thí nghiệm có độ xác cao hơn, hiển thị kết tự động, tiết kiệm thời gian nhằm mang lại hiệu dạy học cao Bộ thí nghiệm khơng giúp cho học sinh có nhìn trực quan kiến thức học mà cịn góp phần hỗ trợ cơng tác giảng dạy giáo viên trường phổ thông Nội dung 2.1 Quá trình thực Quá trình thực đề tài tóm tắt theo sơ đồ hình Bước đầu, kiến thức điện tử (cách sử dụng thiết bị đo, nguyên lí hoạt động 84 Năm học 2016 - 2017 transistor, OP-AMP, vi điều khiển…) tập trung nghiên cứu, làm tảng để thực bước Chương trình điều khiển cho PIC16F877A viết ngôn ngữ C thông qua phần mềm CCS Compiler nạp cho vi điều khiển thông qua trình biên dịch PICKit Programmer Chương trình điều khiển chỉnh sửa hịan thiện dần thơng qua việc lắp ráp chạy thử phận testboard phần mềm mô Proteus Đây bước quan trọng trình thực đề tài Chương trình giao tiếp thí nghiệm máy vi tính xây dựng tảng Visual Basic chương trình Visual Studio Professional 2015 Kết nối thí nghiệm máy vi tính kết nối không dây thông qua module bluetooth HC-05 Trên sở phận kiểm tra hoạt động ổn định chương trình giao tiếp xây dựng, thí nghiệm xây dựng hịan chỉnh để tiến hành đo đạc, đánh giá kết hiệu chỉnh cho phù hợp Nghiên cứu lý thuyết điện tử lập trình Đo đạc, đánh giá kết thực nghiệm hiệu chỉnh Viết chương trình điều khiển cho PIC16F877A Thiết kế xây dựng hồn chỉnh thí nghiệm Kiểm tra hoạt động thành phần testboard phần mềm mơ Proteus Viết chương trình giao tiếp thí nghiệm máy vi tính Hình Tóm tắt trình thực 2.2 Cấu trúc hoạt động thí nghiệm Trong thí nghiệm này, vi điều khiển PIC16F877A đóng vai trị trung tâm điều khiển, có nhiệm vụ nhận thơng số đo đạc (linh kiện cần đo, hiệu điện cần đo nhỏ nhất, lớn bước nhảy) người dùng điều chỉnh thơng qua hình LCD1602 nút nhấn (chế độ thủ công) người dùng nhập vào từ máy vi tính (chế độ tự động) Sau thông số thiết lập, PIC16F877A điều khiển mạch đo để xuất giá trị hiệu điện mong muốn, đo cường độ dòng điện qua linh kiện, gửi giá trị đo đạc lên máy vi tính thơng qua module bluetooth HC05 đồng thời hiển thị kết đo đạc lên hình LCD Sơ đồ khối thí nghiệm thể hình 85 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH Mạch đo hiệu điện cường độ dòng điện Nút nhấn VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A Giao tiếp máy vi tính thơng qua module bluetooth HC-05 Hiển thị LCD1602 Hình Sơ đồ khối thí nghiệm 2.2.1 Vi điều khiển PIC16F877A PIC từ viết tắt “Programmable Intelligent Computer” tạm dịch máy tính thơng minh lập trình PIC họ vi điều khiển RISC (vi điều khiển với tập lệnh rút gọn) sản xuất công ti Microchip Technology PIC16F877A vi điều khiển 8bit với tập lệnh gồm 35 câu lệnh có độ dài 14bit Mỗi lệnh thực thi chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép 20 MHz với chu kì lệnh 20ms Nó có tổng cộng 40 chân mang tính bật timer bit, timer 16 bit, ngắt, tính ADC, DAC, tính PWM, comparator, capture, giao tiếp USB, CAN, I2C, UART, Parallel Để vi điều khiển hoạt động cần có nguồn điện áp từ 2.5V đến 5.5V cung cấp dịng từ 150mA đến 300mA Hình ảnh thực tế sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F877A mơ tả hình Hình PIC16F877A (ảnh trái) sơ đồ chân (ảnh phải) 86 Năm học 2016 - 2017 2.2.2 Module bluetooth HC-05 Bluetooth chuẩn truyền thông không dây để trao đổi liệu khoảng cách ngắn Chuẩn truyền thông sử dụng sóng radio ngắn (UHF radio) dải tần số ISM (2.4 tới 2.485GHz) HC-05 module bluetooth rẻ, thông dụng thị trường Việt Nam, khoảng cách truyền module lên đến khoảng 10m HC-05 hoạt động hai chế độ “Command Mode” “Data Mode” Ở chế độ Command Mode, ta giao tiếp với module thông qua cổng serial tập lệnh AT Ở chế độ Data Mode module truyền nhận liệu tới module bluetooth khác Trong thí nghiệm này, module HC-05 thiết lập hoạt động chế độ Data Mode, có nhiệm vụ truyền nhận liệu vi điều khiển PIC16F877A máy vi tính Hình mơ tả module bluetooth HC-05 sơ đồ chân module Hình Module bluetooth HC-05 2.2.3 Mạch đo hiệu điện cường độ dòng điện Mạch đo sử dụng thí nghiệm mơ tả sơ đồ hình Điện VB tạo từ IC DAC0808, giá trị điện thay đổi vi điều khiển PIC16F877A Với transistor lưỡng cực (BJT) loại NPN (bộ thí nghiệm sử dụng transistor NPN mã số C828A), dòng IB qua cực Base transistor thay đổi (bằng cách thay đổi VB) dịng IC qua thiết bị cần đo thay đổi, qua làm thay đổi hiệu điện hai đầu thiết bị Hiệu điện hai đầu thiết bị ghi nhận chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (ADC – Analog to Digital Converter) PIC (nối với chân A0 A1) Như vậy, cách điều khiển giá trị VB, ta làm thay đổi đo đạc hiệu điện hai đầu thiết bị cần đo Do dịng IB có giá trị nhỏ (khoảng vài chục A) nên ta xem gần IC  IE, tức dòng điện qua thiết bị cần đo gần với dòng điện qua điện trở R = 10 mắc với chân E transistor Vì vậy, ta cần xác định điện chân E transistor cách sử dụng ADC PIC (nối với chân A5), ta tính 87 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH hiệu điện hai đầu điện trở 10 suy giá trị cường độ dòng điện V qua thiết bị cần đo: I thietbido  E (A) 10 5V  ADC  A0  ADC  A1 VB Transistor NPN R  100 k   ADC  A5 R  10 Hình Mạch đo hiệu điện cường độ dòng điện 2.2.4 IC DAC0808 DAC (Digital to Analog Converter) cịn gọi chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự Vi điều khiển lập trình để điều khiển DAC0808 xuất giá trị điện mong muốn DAC0808 có cấu tạo gồm 16 chân, chân tín hiệu vào (A1 đến A8) nối với chân vi điều khiển PIC16F877A theo thứ tự từ RB0 đến RB7 mơ tả hình Hình Ghép nối IC DAC0808 vi điều khiển PIC16F877A 88 Năm học 2016 - 2017 DAC thực trình biến đổi tín hiệu từ số sang tương tự cách so sánh với điện áp tham chiếu (Reference Voltage) đưa vào chân số 14 Trong thí nghiệm này, DAC0808 tham chiếu với điện áp 12V Giá trị điện mà DAC0808 xuất (được kí hiệu VB hình 6) xác định từ cơng thức sau: A A  A A A A A A VB  Vref           16 32 64 128 256   đó, A1 đến A8 nhận hai giá trị 1, ứng với chân PIC ghép nối với từ RB0 đến RB7 xuất giá trị điện thấp (0V) hay điện cao (5V) Như vậy, cách điều khiển giá trị điện xuất chân cổng B PIC16F877A, ta điều khiển giá trị mà IC DAC0808 xuất theo mong muốn 2.2.5 Chức ADC PIC16F877A ADC (Analog to Digital Converter) dùng để biến đổi tín hiệu điện áp tương tự vào chân vi điều khiển trở thành tín hiệu số cách so sánh với điện áp tham chiếu tương tự DAC Điện áp tham chiếu điện áp VDD (điện áp nguồn) điện áp tham chiếu đưa vào chân khác Thứ tự chân đọc ADC chân cấp điện áp tham chiếu quy định rõ ràng trường hợp sử dụng Bộ ADC sử dụng thí nghiệm loại ADC 10bit tương ứng với 210 =1024 giá trị Giá trị bit lớn ADC có độ phân giải cao Ở đây, điện áp tham chiếu 5V đoạn từ 0V đến 5V chia làm 1023 khoảng Mỗi giá trị điện áp ADC đọc tương ứng với số Xét với trường hợp cần đo nói điện áp giá trị điện áp vi điều khiển xử lí tính tốn theo cơng thức sau: V  ADC  1023 với: ADC giá trị ADC đọc được, V giá trị điện áp chân ADC 2.3 Chương trình giao tiếp với máy vi tính Giao tiếp vi điều khiển máy vi tính thực thơng qua module bluetooth HC-05 Chương trình giao tiếp máy vi tính viết Visual Basic phần mềm Visual Studio Professional 2015 có giao diện hình 89 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH Hình Chương trình giao tiếp với người dùng máy vi tính Tại chương trình này, sau người dùng chọn cổng kết nối với thí nghiệm nút vùng 1, người dùng chọn thiết bị cần đo chọn vùng Có lựa chọn: điện trở, diode, transistor Khi chọn thiết bị cần đo, người dùng nhập vào thông số trình đo đạc (hiệu điện nhỏ nhất, lớn bước nhảy) sau nhấn nút “Xác nhận” để truyền thơng số thí nghiệm Nút “Bắt đầu đo” “Dừng đo” vùng để bắt đầu kết thúc trình đo Khi q trình đo diễn ra, thơng số hiệu điện hai đầu thiết bị đo cường độ dịng điện qua thiết bị hiển thị cập nhật lên bảng 6, đồng thời mô tả đồ thị Kết thúc trình đo đạc, người dùng lưu lại kết đo dạng Excel lưu đồ thị dạng hình ảnh nút “Lưu liệu” “Lưu đồ thị” vùng Tất thao tác người dùng giao diện ghi nhận thể lên trạng thái Kết 3.1 Bộ thí nghiệm Bộ thí nghiệm nghiên cứu đến thời điểm trình bày hình Mạch điện tử tiếp tục gia công mạch in hòan chỉnh thời gian nghiên cứu tới 90 Năm học 2016 - 2017 Mạch điện tử Nút nhấn Bluetooth HC-05 LCD1602 Chương trình giao tiếp Hình Bộ thí nghiệm nghiên cứu thời điểm Bộ thí nghiệm hoạt động hai chế độ thủ công tự động Ở chế độ thủ công, người dùng trực tiếp đo, ghi nhận giá trị hiệu điện cường độ dịng điện hình LCD Đối với chế độ tự động, người dùng kết nối thí nghiệm với máy tính thơng qua bluetooth, sau đo đạc quan sát đặc tuyến VoltAmpere thông qua đồ thị vẽ tự động chương trình Để đánh giá hoạt động mức độ xác thí nghiệm, linh kiện điện tử cụ thể điện trở, diode, transistor đo đặc tuyến Volt-Ampere thí nghiệm 3.2 Đo đặc tuyến Volt-Ampere điện trở Thực đo đặc tuyến Volt-Ampere điện trở giá trị 150 khoảng từ 0V đến 3.3V thí nghiệm thu kết hình 91 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH Hình Đặc tuyến Volt-Ampere điện trở 150 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ hiệu điện cường độ dòng điện qua điện trở đường thẳng qua gốc tọa độ, nghiệm định luật Ohm Bằng cách khớp hàm đường thực nghiệm với đường thẳng có dạng Y = A + BX ta tính giá trị điện trở thu từ đường làm khớp R = 148.23083, độ lệch tương đối 1.1% so với giá trị thực tế Qua thấy thí nghiệm cho kết với mức độ xác cao đáng tin cậy Tiếp tục thực đo đặc tuyến Volt-Ampere để suy giá trị số điện trở có giá trị khác nhau, kết trình bày bảng STT 10 11 92 Bảng Kết đo đặc tuyến Volt-Ampere số điện trở Độ lệch tương đối (%) Giá trị thực tế () Giá trị đo () 33 27.74 15.94 47 39.40 16.17 100 97.68 2.32 147 146.83 0.12 200 204.32 2.16 220 224.69 2.13 330 348.07 5.48 470 499.65 6.31 680 719.08 5.74 820 844.40 2.98 1000 964.57 3.54 Năm học 2016 - 2017 Kết bảng thấy rằng, điện trở có giá trị nhỏ 100 gặp phải độ lệch tương đối lớn Giá trị độ lệch giảm dần điện trở có trị số lớn 100 độ lệch lớn 6.31% Qua ta kết luận rằng, thí nghiệm cho kết với độ xác cao điện trở có trị số lớn cần phải hiệu chỉnh lại điện trở có giá trị nhỏ 100 3.3 Đo đặc tuyến Volt-Ampere diode Đặc tuyến Volt-Ampere diode khoảng 0V đến 0.7V đo đạc thí nghiệm cho kết hình 10 Hình 10 Đặc tuyến Volt-Ampere diode Kết thực nghiệm thu phản ánh dạng đặc tuyến Volt-Ampere diode điển hình Từ đồ thị suy điện áp ngưỡng diode U ng  0.58V điện trở diode vùng tuyến tính R  8.68 3.4 Đặc tuyến Volt-Ampere transistor Tiến hành đo đặc tuyến Volt-Ampere transistor lưỡng cực NPN mã số C828A với dòng điện qua cực Base transistor 0.2; 0.4; 0.6; 0.8mA thu kết hình 11 93 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH Hình 11 Đặc tuyến Volt-Ampere transistor NPN mã số C828A Đồ thị phản ánh dạng đặc tuyến Volt-Ampere transistor NPN điển hình Dịng điện bão hịa tương ứng với dòng điện khác qua cực Base transistor 3.96; 11.87; 20.40; 29.30 mA Kết luận Bộ thí nghiệm thiết kế chế tạo có khả đo đạc đặc tuyến VoltAmpere số linh kiện điện tử với độ xác cao, ổn định đáng tin cậy Cùng với khả đo đạc, xử lí số liệu nhanh, thao tác nhanh chóng, chương trình tương tác với người sử dụng máy vi tính đơn giản đầy đủ chức cần thiết, thí nghiệm góp phần hỗ trợ cho công tác giảng dạy người giáo viên Tuy nhiên, thí nghiệm cần gia cơng mạch in, chế tạo mạch lắp đặt cho phục vụ tốt cho người sử dụng, hiệu chỉnh cho khả đo đặc tuyến điện trở có giá trị nhỏ xác Nếu khắc phục nhược điểm trên, thí nghiệm ứng dụng để dạy tiết học lớp tiết thực hành phịng thí nghiệm trường trung học phổ thông 94 Năm học 2016 - 2017 TÀI LIỆU THAM KHẢO Dương Xuân Quý (2010), “Vấn đề sử dụng thiết bị thí nghiệm vật lí trường phổ thơng thực trạng giải pháp”, Tạp chí Thiết bị giáo dục, số 61 Đỗ Thanh Hải, Ngơ Thanh Hải (2003), Ngun lí ứng dụng mạch điện tử, Nxb Thanh niên Martin P.Bates (2007), Programming 8-Bit PIC Microcontroller in C with interactive Hardware Simulation, www.newnespress.com Lucio Di Jasio (2007), Programming 16-Bit PIC Microcontroller in C Learning to Fly the PIC24, New South Wales: Newnes Microchip Technology (2003), Microchip PIC16F877A Data sheet 28/40/44-Pin enhanced flash Microcontrollers http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/D/A/C/0/DAC0808.shtml http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/28776/TI/TL084.html https://www.scribd.com/doc/128811636/Datasheet-Bluetooth-Module-Hc05 http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/81905/ETC/RS232.html 95 ... mức độ xác thí nghiệm, linh kiện điện tử cụ thể điện trở, diode, transistor đo đặc tuyến Volt-Ampere thí nghiệm 3.2 Đo đặc tuyến Volt-Ampere điện trở Thực đo đặc tuyến Volt-Ampere điện trở giá... Cấu trúc hoạt động thí nghiệm Trong thí nghiệm này, vi điều khiển PIC16F877A đóng vai trị trung tâm điều khiển, có nhiệm vụ nhận thông số đo đạc (linh kiện cần đo, hiệu điện cần đo nhỏ nhất, lớn... 20.40; 29.30 mA Kết luận Bộ thí nghiệm thiết kế chế tạo có khả đo đạc đặc tuyến VoltAmpere số linh kiện điện tử với độ xác cao, ổn định đáng tin cậy Cùng với khả đo đạc, xử lí số liệu nhanh, thao