Thiết kế và chế tạo 8 mô hình thực hành môn vi điều khiển sử dụng vi điều khiển pic 18f4520 cho viện kỹ thuật – kinh tế biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU  ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC HỢP TÁC Co-operative research project between BVU and La Croix Rouge TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế và chế tạo mô hình thực hành môn vi điều khiển sử dụng vi điều khiển pic 18f4520 cho viện kỹ thuật – kinh tế biển Trình độ đào tạo: Chương trình trao đổi sinh viên với trường La Croix Rouge in Brest (Pháp) Giảng viên hướng dẫn: Ts LÊ NGỌC TRÂN Sinh viên thực hiện: Grégory LEROY Lớp : Digital System Niên khóa : 2016-2018 Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2018 [Date] INTERNSHIP REPORT Grégory LEROY TABLE OF CONTENTS PERSONAL INFORMATION……………………………… page THANKS………………………………………………………page I INTRODUCTION………………………………………… page II DESIGN OF ELECTRICAL BOARD…………………… page Introduction of microprocessor PIC………………… .page Design of PIC board by EAGLE software………………page 10 III IMPLEMENTATION…………………………………… page 27 VI CONCLUSION……………………………………………page 31 REFERENCE PERSONAL INFORMATION First name : Grégory Name : LEROY Phone number : +33 82 37 90 78 Email : leroy7@lacroixrouge-brest.fr School: La Croix Rouge La Salle, rue Mirabeau Brest, 29200, France I write this information if you want contact me THANKS I thank Mister Vo and Mrs Jézéquel who helped me find this internship I also thank the Vietnamese students who welcomed me and helped me I thank my tutor M.TRAN who guided me and taught me a lot of new interesting things I thank Mrs Phuong who helped me in the daily life I thank and I am extremely grateful to my guide who allowed me to visit and discover great unforgettable places of Vung tau I GIỚI THIỆU Ngày nay, ứng dụng Vi điều khiển sâu vào đời sống sinh hoạt sản xuất người Thực tế hầu hết thiết bị điện dân dụng có góp mặt Vi Điều Khiển vi xử lí Ứng dụng vi điều khiển thiết kế hệ thống làm giảm chi phí thiết kế hạ giá thành sản phẩm đồng thời nâng cao tính ổn định thiết bị hệ thống.Trên thị trường có nhiều họ vi điều khiển: họ 4520 Intel, 68HC11 Motorola, Z80 hãng Zilog, PIC hãng Microchip, H8 Hitachi,vv… Việc phát triển ứng dụng hệ vi xử lý đòi hỏi hiểu biết phần cứng phần mềm, mà hệ vi xử lý sử dụng để giải tốn khác Tính đa dạng ứng dụng phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ vi xử lý cụ thể vào kỹ thuật lập trình Ngày vi xử lý có mặt nhiều thiết bị điện tử đại: từ đầu đĩa CD, máy thu hình, máy ghi hình, dàn âm HiFi, điều khiển lị sưởi thiết bị điều khiển dùng công nghiệp Lĩnh vực ứng dụng hệ vi xử lý rộng lớn: từ nguyên cứu khoa học, truyền liệu, đến công nghiệp, lượng, giao thông y tế… Tùy theo kinh nghiệm mức độ thơng thạo mà sử dụng ngơn ngữ khác ngồi hợp ngữ như: C, C++, Visual basic để có chương trình chất lượng cao Từ thông tin diễn đàn Internet trung tâm học tập thực hành, cho thấy nhu cầu học tập nghiên cứu tự mài mị tìm hiểu nhiều lĩnh vực ngành điện tử nói chung, tự động hóa nói riêng cao Trong nhiều lĩnh vực quan tâm, có lĩnh vực vi điều khiển quan tâm nhiều vi điều khiển PIC Việc tìm hiểu ứng dụng hết khả nhiều loại PIC trình dài lý thú hữu ích, thuận tiện, tính gọn, khả phát triển đa dạng dòng sản phẩm phù hợp nhiều quy mô ứng dụng Một lĩnh vực khác quan tâm đơng đảo diễn đàn học tập ngành khí – điện tử, chưa có tài liệu thống phổ biến hướng dẫn hay cung cấp thơng tin nó, chưa giảng dạy nhiều trung tâm ứng dụng PIC 18F4520 để truy xuất tín hiệu cảm biến nhiệt độ LM35 lên hình LCD thể linh hoạt mà thực tế phù hợp với nhu cầu giám sát chất lượng nước đa dạng hệ thống từ công nghiệp dân dụng Thuận tiện cho người vận hành trình bày cách sinh động Lựa chọn PIC đề tài bước phù hợp với yêu cầu giới hạn cần có đồ án vi điều khiển đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tế lĩnh vực ngành khí – điện tử theo học Tuy có nhiều cố gắng vốn kiến thức hạn chế thời gian cịn hạng chế nên khơng tránh khỏi sai sót khuyết điểm qúa trình tính tốn thi cơng cơng mơ hình, mong thơng cảm góp ý kiến qúi thầy cô bạn sinh viên Khoa khí trường Đại học Bà Rịa- Vũng Tàu thành lập từ năm 2014 gồm chuyên ngành: • Cơ khí chế tạo máy • Cơ khí tơ • Cơ điện tử Trong nhiều môn học ngành Cơ khí mơn học vi điều khiển khơng thể thiếu thời đại cách mạng lần thứ 4, tiếp cận mơn học ngồi vấn đề học ngơn ngữ lập trình C++ sinh viên cịn phải thiết kế mạch phần cứng Tuy nhiên điều kiện nhà trường cịn nhiều khó khăn chưa đầu tư phịng thực hành vi điều khiển,do đợt thực tập đề tài nghiên cứu, thiết kế xây dựng kit thực hành môn vi điều khiển PIC phục vụ đào tạo thực hành môn học vi điều khiển cho chuyên ngành điện tử trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu II THIẾT KẾ MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN II.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC PIC (Programmable Interlligent Computer) sản phẩm hãng General Intruments đặt cho dòng sản phẩm họ PIC 1605 Vào thập kỷ 70 kỷ 20, General Intruments Honeywell kết hợp sản xuất vi xử lý 16 bit CP1600 Đây vi xử lý mạnh vào thời điểm lại hạn chế hoạt động vào/ra PIC 1650 sản xuất để hỗ trợ vi xử lý CP 1600 máy tính sử dụng vi xử lý PIC 1650 hoạt động với tập lệnh đơn giản nằm ROM Vào thời điểm chưa có khái niệm RISC(Reduced Intructions Set Code), nhiên PIC 1650 thực vi điều khiển thiết kế theo kiểu kiến trúc RISC Tập lệnh PIC 1650 vơi khoảng 30 lệnh độ dài lệnh 14 bit Mỗi lệnh PIC 1650 thực chu kỳ máy(4 chu kỳ dao động) Năm 1985 General Intruments bán phận sản xuất vi điện tử họ chủ sở hữu hủy bỏ hầu hết dự án liên quan( dự án lúc trước lỗi thời) Năm 1989 Microchip Technology tiếp tục phát triển PIC, bắt đầu việc thêm nhớ EEPROM để tạo thành điều khiển vào khả trình Tiếp đến tích hợp tính ngắt, ADC( Analog Digital Convertr) … để tạo thành cá vi điều khiển( Micro Controller) Đến năm 1992 Microchip Technology cho đời loại chip với dịng khác nhau: • Dịng chip có độ dài mã lệnh 12 bit gồm chip PIC 15C5x Các chip có từ 12 đến 28 chân vào/ra • Dòng chip độ dài mã lệnh băng 14 bit PIC 16C71 Bộ vi điều khiển tích hợp thêm hai tài ngun ngắt ADC • Dòng chip độ dài mã lệnh 16 bit PIC 17C41, nhiên dịng chip khơng trọng phát triển vào thời điểm Cùng thời gian hàng loạt công cụ hỗ trợ cơng ty khác cho đời Điển hình PICMASTER emulator, PIC Pro II programmer trình dịch C( C Compiler) Các cơng cụ với việc thay nhớ OTP (one – time programmable parts) nhớ EEP (Electically Erasable Parts) mang đến rắt nhiều tiện lợi cho người lập trình, ví dụ như: người lập trình nạp chương trình mà không cần gỡ chip khỏi mạch PIC 16C84 vi điều khiển có nhớ kiểu EEP Khơng lâu sau Microchip Technology tiếp tục đưa vào vi điều khiển với mã lệnh dài 14 bit PIC16F877 tính gỡ rối (Flash debugging) Tính cho phép người lập trình kiểm sốt ghi, câu lệnh chương trình Nhờ cải tiến liên tiếp, PIC16F87 trở thành vi điều khiển bán chạy vào thời điểm đó( năm 1995 đến 1998) Đến năm 2000, Microchip Technology tái phát triển lại dịng chip có độ dài mã lệnh 16bit có trước năm Đại diện cho dòng chip PIC18F4520 với tốc độ mã lệnh 16bit có trước năm Đại diện cho dòng chip PIC18F452 với tốc độ , dung lượng nhớ cải thiện nhiều tính bổ sung định thời(timer), truyền thơng nối tiếp…Dịng vi điều khiển PIC bit dẫn đầu số lượng bán năm liên tục từ năm 2002 đến Trước nhu cầu tốc độ xử lý tính đặc biệt khác, Microchip Technology tiếp tục cho đời dòng vi điều khiển tiên tiến như: PIC24, PIC33, dsPIC Ngày có đến hàng chục dòng PIC với hàng trăm loại chip khác Tại Việt Nam giới, họ vi điều khiển sử dụng rộng rãi Điều tạo nhiều thuận lợi trình tìm hiểu phát triển ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượng ứng dụng mở phát triển thành cơng, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm dẫn gặp khó khăn Bộ vi xử lý có khả vượt bậc so với hệ thống khả tính tốn, xử lý thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiểu toán hệ thống lớn Tuy nhiên ứng dụng nhỏ, tầm tính tốn khơng địi hỏi khả tính tốn lớn việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc Bởi hệ thống dù lớn hay nhỏ, dùng vi xử lý đòi hỏi khối mạch điện giao tiếp phức tạp Các khối bao gồm nhỺ�u vào liệu đồng EUSART Các chân cổng Port D( Port D vào hai hướng cổng song song phụ thuộc(PSP) cho giao diên vi xử lý đầu vào phải TTL • Chân 19(RD0/PSP0): RD0 đầu vào số, PSP0 cổng liệu song song phụ thuộc • Chân 20(RD1/PSP1): RD1 đầu vào số, PSP1cổng liệu song song phụ thuộc • Chân 21(RD2/PSP2): RD2đầu vào số, PSP2 cổng liệu song song phụ thuộc • Chân 22(RD3/PSP3): RD3 đầu vào số, PSP3 cổng liệu song song phụ thuộc 16 II.2.4 Cảm biến nhiệt độ LM35 Hình 12:Cảm biến nhiệt độ LM35 Cảm biến LM35 cảm biến nhiệt mạch tích hợp xác cao mà điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng không u cầu cân chỉnh ngồi vốn chúng cân chỉnh Cảm biến LM35 hoạt động cách cho giá trị hiệu điện định chân Vout (chân giữa) ứng với mức nhiệt độ Các thơng số kỹ tḥt • Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V • Điện áp ra: -1V đến 6V ã Cụng sut tiờu th l 60àA ã phân giải điện áp đầu 10mV/ºC • Độ xác cao 25ºC 0.5ºC • Trở kháng đầu thấp 0.1 cho 1mA tải • Độ xác thực tế: 1/4°C nhiệt độ phòng 3/4°C ngồi khoảng 55°C tới 150°C Hình 13:Các chân LM35 25 Chân 1: Chân nguồn Vcc Chân 2: Đầu Vout Chân 3: GND Tính tốn nhiệt độ đầu sai số hệ thống Ta có hàm truyền sau Hình 14:Sơ đồ khối nguyên lý làm việc LM35 Từ hàm truyền ta có: U=t.K Trong đó: K điện áp đầu LM35: K=10mV/°C T nhiệt độ mơi trường [K]  U=t.10mV/°C Có ADC = 11 bit Dải đo : A= [0-5]V Bước thay đổi : n= 5/2023 = 2.44 (mV) Giá trị ADC đo từ giá trị điện áp đầu vào ADC_value = U/n = (t 10mV) / 2.44mV Giá trị nhiệt độ đo được: t = ADC_value * 2.44/10 (ºC) Sai số hệ thống đo + Tại 0ºC điện áp LM35 10mV + Tại 150ºC điện áp LM35 1.5V ==> Giải điện áp ADC biến đổi 1.5 - 0.01 = 1.49 (V) + ADC 11 bit nên bước thay đổi ADC : n = 2.44mV Vậy sai số hệ thống đo : Y = 0.00244/1.49 = 0.164 % Các thuật toán xử lý Thuật toán xử lý đơn giản cho toán sử dụng biến đổi ADC Tín hiệu đưa từ cảm biến tín hiệu tương tự mà vi xử lý khơng xử lý tín hiệu nên ta phải biến đổi sang dạng số để xử lý Từ giá trị số 26 biến đổi từ quay đổi nhiệt độ tương đương cách tính Từ tính giá trị nhiệt độ hiển thị LCD Code LM35: unsigned int adc_value; unsigned int voltage; unsigned int nhietdo; char buffer[6]; trisa=0xff; lcd_init(); lcd_cmd(_LCD_cursor_off); adc_init(); while(1) { adc_value=adc_get_sample(0); voltage=adc_value*5000.0f/1023; nhietdo=voltage/10; Lcd_Out(1,1,"Nhiet do:"); bytetostr(nhietdo,buffer); lcd_out(1,10,buffer); delay_ms(500); } Kết mô phỏng hệ thống 27 Hình 15:Kết mơ proteus III THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG During this course, I realized a project which is the making of electronics education models with the microprocessor PIC 18F4520 for the School of Maritime Economics and Technology At the end, I prepared this internship report for the presentation of our project Figure 19 Implementation of PIC board in BVU Lab 28 I showed the electronics schematics to make the electronic boards by the students Electronic schematic : Figure 20: Designing principle PIC board We need this to weld the different devices on the board 29 The electronic devices: - Capacitors ( C1, C2, C3, C4, C5, C10, C13, C14, C15, C16, C30, C33) - Resistances ( R1, R2, R3, R5, R14 ) - LCD screen ( LCD1 ) - Encoder switch - Microprocessor PIC 18F4520 - Crystal ( Q1 ) - Programmer - Coil ( L1 ) - Regulator R-78B5.0 ( IC11 ) and regulator UA78M33 ( IC12 ) - Semiconductor MC14490 ( IC9 ) - Schottky diodes ( D1, D4 ) - Potentiometer ( R3 ) The welding: I showed the students how to weld then the students welded the electronic devices on the electronic boards With their help, the welding it was more fast than if I made the welding alone Figure 21: Project team 30 Programming: After welding these electronic devices, I needed to put in the microprocessor the program that directs this electronic board to allow at the LCD screen to show information First I made an example that allowed the LCD screen to display “TEMP: 20.5°C”: Then I made a program that allowed to use the encoder switch And to finish, I made a program to use the temperature sensor The results of project - The practical PIC boards for mechatronic students of BVU: 31 Figure 22: Researches for practical kit: IV KẾT LUẬN I was very interested in my internship It allowed me to get familiar with a new country I was able to reconcile what I had learned in the course of our project in Vietnam, which was not always easy because the country is very different 32 It also allowed me to overcome our apprehension of travel in a country completely different from mine and to adapt to new situations I was also able to increase my curiosity by looking for the way in which I would succeed in my project Teamwork with student was very important because it allowed to make the project more quickly A very good atmosphere prevails in the university and all the people that I met have been very cooperative and attentive to my questions This has been a very rewarding experience Finally, I would like to thank so much all the professors and the students whom I worked with during this internship I was so happy to it Now, I am more autonomous, more curious, more serious It was an amazing experience REFERENCES https://www.microchip.com/wwwproducts/en/PIC18F4520 PIC18F2420/2520/4420/4520 Data Sheet Vi điều khiển PIC PIC16F887 – Nguyễn Đình Phú – Năm 2014 Cad điện điện tử - Vi điều khiển ứng dụng – TS.Lê Ngọc Bích KS.Phạm Quang Huy – Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển - Nhà xuất bản: Khoa học Kỹ thuật 33 ... thực hành môn vi điều khiển PIC phục vụ đào tạo thực hành môn học vi điều khiển cho chuyên ngành điện tử trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu II THIẾT KẾ MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN II.1 Giới thiệu về vi điều...S https://www.microchip.com/wwwproducts/en /PIC1 8F4520 PIC1 8F2420/2520/4420/4520 Data Sheet Vi điều khiển PIC PIC16F 887 – Nguyễn Đình Phú – Năm 2014 Cad điện điện tử - Vi điều khiển ứng dụng – TS.Lê Ngọc Bích KS.Phạm Quang Huy – Nh... điện dân dụng có góp mặt Vi Điều Khiển vi xử lí Ứng dụng vi điều khiển thiết kế hệ thống làm giảm chi phí thiết kế hạ giá thành sản phẩm đồng thời nâng cao tính ổn định thiết bị hệ thống.Trên