a. AVR
AVR là một họ vi điều khiển do hang Atmel sản xuất(Atmel cũng là nhà sản xuất dịng vi điều khiển 89C51 mà cĩ thể bạn đã từng nghe đến). AVR là chip vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hĩa – RISC(Reduced
Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí.
So với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR cĩ nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng và đặc biệt là về chức năng:
Gần như chúng ta khơng cần mắc them bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR, thậm chí khơng cần nguồn tạo xung clock cho chip.
Thiết bị lập trình cho AVR rất đơn giản, cĩ loại mạch nạp chỉ cần vài điện trở là cĩ thể làm được, một số AVR cịn hỗ trợ lập trình on-chip bằng bootloader khơng cần mạch nạp.
Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích C. Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trên internet.
Một số chíp AVR thơng dụng:
AT90S1200, AT90S2323andAT90S2343, ATtiny15, ATtiny26, ATmega16,…
Trình biên dịch cho AVR:
Cĩ rất nhiều trình biên dịch cĩ thể sử dụng để biên dịch code thành file hex để nạp vào vi điều khiển chẳng hạn như:
AvrStudio Wavrasm WinAVR CodeVisionAvr ICCAVR b. ATMEGA16
Hình 2.42: Atmega 16
Hiệu suất cao ( high performance ), là loại vi điều khiển AVR 8 bit cơng suất thấp.
Cấu trúc lệnh đơn giản, thời gian thực thi lệnh như nhau ( thật ra là Advanced RISCArchitecture )
130 lệnh thực thi trong vịng 1 chu kì chip.
32x8 thanh ghi cơng dụng chung (chắc là 32 thanh ghi cơng dụng chung 8 bit). Đầy đủ các xử lí tĩnh.
Hỗ trợ 16MIPS khi hoạt động ở tần số 16MHz. Tích hợp bộ nhân 2 thực hiện trong 2 chu kì chip. Bộ nhớ chương trình và dữ liệu khơng bay hơi
16k byte trong hệ thống flash khả trình cĩ thể nạp và xĩa 1000 lần.
Tùy chọn khởi động phần mã với các bit nhìn độc lập trong hệ thống bằng cách vào chương trình khởi động chip.
512 byte EEPROM cĩ thể ghi và xĩa 100000 lần. 1k byte ram nhớ tĩnh trong(internal SRAM). Tính năng ngoại vi
2 bộ định thời/bộ đếm(timer/counter) 8 bit với các chế độ đếm riêng lẻ và kiểu so sánh.
1 bộ định thời/bộ đếm(timer/counter) 16 bit với các chế độ đếm riêng lẻ ,kiểu so sánh và kiểu bắt sự kiện.
Bộ đếm thời gian thực với máy dao động riêng lẻ. 4 kênh băm xung PWM.
8 kênh ADC 10 bit.
Byte định hướng 2 đường giao tiếp nối tiếp. Giao tiếp USART nối tiếp khả trình.
Bộ định thời khả trình giám sát xung nhịp của chíp 1 cách riêng lẻ. Tích hợp bộ so sánh tín hiệu tương tự.
Giao tiếp JTAG
Các tính năng đặc biệt của vi điều khiển.
Chế độ bật nguồn reset và phát hiện Brown – out khả trình. Tích hợp mạch dao động RC bên trong.
Các ngắt trong và ngồi.
6 chế độ nghỉ: rảnh rỗi, giảm nhiễu ADC, tiết kiệm năng lượng, nguồn thấp, Standby và Extended Standby.
Vào/ra các gĩi dữ liệu. Điện áp sử dụng
2,7 – 5,5 V dùng với atmega16L. 4,5 – 5,5 V dùng với atmega16. Tốc độ xung nhịp dùng cho chip 0 - 8 MHz cho atmega16L. 0 - 16 MHz cho atmega16.
Sơ đồ chân
Hình 2.43: Sơ đồ chân atmega 16
Chân 1 đến 8: Cổng nhập xuất dữ liệu song song B(PORT B) nĩ cĩ thể được sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu.
Chân 9 : RESET để đưa chip về trạng thái ban đầu. Chân 10: VCC cấp nguồn nuơi cho vi điều khiển.
Chân 11,31: GND 2 chân này được nối với nhau và nối đất.
Chân 12,13: 2 chân XTAL2 và XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bên ngồi vào chip.
Chân 14 đến 21: cổng nhập xuất dữ liệu song song D (PORT D) nĩ cĩ thể được sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu.
Chân 22 đến chân 29 : cổng nhập xuất dữ liệu song song C (PORT C) nĩ cĩ thể được sử các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu.
Chân 30: AVCC cấp điện áp so sánh cho bộ ADC. Chân 32: AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC.
Chân 33 đến 40: cổng vào ra dữ liệu song song A (PORT A) ngồi ra nĩ cịn được tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC.
Ngơn ngữ lập trình
Để làm việc với Atmega16 ta dùng phần mềm AVRCodeVision dựa trên ngơn ngữ lập trình C.
c. Opto PC817 Cấu tạo
Opto hay cịn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp cĩ cấu tạo gồm 1 led và 1 photo diot hay 1 photo transitor. Được sử dụng đẻ các ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay cơng suất nhu khối cĩ cơng suất nhỏ với khối điện áp lớn.
Thơng số kỹ thuật
Hình 2.46: Thơng số kỹ thuật Opto PC81
Nguyên lý hoạt động
Hình 2.47: Nguyên lí hoạt động của Opto PC817
Khi cung cấp 5V vào chân số 1, LED phía trong Opto nối giữa chân số 1 và 2 sáng, xảy ra hiệu ứng quang điện dẫn đến chân 3-4 thơng, mức logic sẽ bị chuyển từ 1 sang 0 mà khơng cần tác động trực tiếp từ IC.
c. Tụ điện Cấu tạo
Hình 2.48: Tụ điện
Tụ điện là linh kiện cũng đước dùng phổ biến như điện trở. Sự khác nhau giữa tụ điện và điện trở là sự cản trở của tụ điện phụ thuộc vào tần số điện áp. Đặc trưng cho tính cản trở của tụ là dung kháng. Tính theo cơng thức sau:
f: tần số điện áp (Hz) C:giá trị điện dung (Fara)
Kí hiệu của tụ điện:
Sự khác nhau giữa tụ phân cực và khơng phân cực: tụ khơng phân cực thì 2 cực của tụ cĩ vai trị như nhau, giá trị của tụ khơng phân cực thường nhỏ. Tụ phân cực thì cĩ 2 cực tính dương và âm khơng thể dùng lẫn lộn. Giá trị của tụ phân cực thường lớn 0,1 đến hàng ngàn uF.
Cách đọc giá trị của tụ điện: Đối với tụ khơng phân cực phổ biến là tụ gốm, đọc giống như điện trở đơn vị là pF. Tụ phân cực giá trị và cực tính ghi trên tụ.
d. IRF540
Hình 2.49: Hình dáng và kí hiệu IRF 540
Nguyên tắc hoạt động của IRF540 như một cái khĩa điện tử,khi chân G được kích thì chân D và chân S được nối với nhau, cĩ dịng chạy từ chân D xuống chân S, dựa vào nguyên tắc hoạt động của nĩ, người ta thiết kế mạch điều khiển.
f. Rơ le
Nguyên lí hoạt động của Role là biến đổi dịng điện thành từ trường thơng qua cuộn dây, từ trường lại tạo thành lực cơ học thơng qua lực hút để thực hiện một động tác về cơ khí như đĩng mở cơng tắc, đĩng mở các hành trình của một thiết bị tự động…
Rơle cĩ các bộ phận sau : Lõi từ, cuộn dây, tiếp điểm thường đĩng, tiếp điểm thường mở, phần ứng, lị xo.
Rơle là một loại khí cụ điện trường dùng để đĩng ngắt mạch điện tự động. Rơle thường được dùng trong các mạch khởi động động cơ, đảo chiều động cơ, mạch điều khiển từ xa, mạch chống trộm…
Hình 2.50:Sơ đồ chân Rơle
Hình 2.51: Rơle 8 chân
Hình 2.52: Encoder
Encoder dùng để xác định vị trí gĩc của một đĩa quay, đĩa quay cĩ thể là bánh xe, trục động cơ hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí gĩc, tốc độ quay. Nguyên lí hoạt động của Encoder là một đĩa trịn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa cĩ các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ khơng cĩ lỗ (rãnh), đèn led khơng chiếu xuyên qua được, chỗ cĩ lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đĩ, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu cĩ, hoặc khơng cĩ ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led cĩ chiếu qua lỗ hay khơng. Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ cĩ một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì cĩ nghĩa là đĩa đã quay được một vịng.
Hình 2.53: Cấu tạo bên trong của Encoder
h. TRIAC
Hình 2.55: Hình ảnh thực tế của Triac
Hình 2.56: Kí hiệu Triac
Triac là phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ở Thyristor theo cả hai chiều giữa các cực MT1 và MT2, do đĩ cĩ thể dẫn dịng theo cả hai chiều giữa MT1 và MT2. Triac cĩ thể coi tương đương với hai Thyristor đấu song song ngược.
Triac cĩ thể điều khiển cho mở dẫn dịng bằng cả xung dương (dịng đi vào cực điều khiển) lẫn xung âm (dịng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên xung dịng điều khiển âm cĩ độ nhạy kém hơn, nghĩa là để mở được TRIAC sẽ cần một dịng điều khiển âm lớn hơn so với dịng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dịng điện qua TRIAC thì sử dụng dịng điện dương là tốt hơn cả.
Các trường hợp điều khiển triac
Theo nguyên lí hoạt động của Triac đã nêu ở trên, triac sẽ được kích mở cho dịng điện chạy qua khi điện áp MT2 và G đồng dấu, cĩ nghĩa là:
MT2 dương và G dương so với MT1 MT2 âm và G âm so với MT1
Ngồi ra,MT2 và G trái dấu triac cũng cĩ thể kích mở được: MT2 dương và G âm so với MT1, cĩ dịng điện
MT2 âm và G dương so với MT1, khơng cĩ dịng điện.
i. Khối LCD hiển thị
Hình 2.58: LCD 16x2
LCD đảm nhận vai trị hiển thị các thơng số, các thơng tin cần nhập vào hay các thơng tin xử lý mà bộ điều khiển đang hoạt động được. Loại LCD đang sử dụng là loại SD-DM1602A, cĩ 2 hàng, mỗi hàng cĩ 16 kí tự.
Kết cấu LCD gồm 1 chân, trong đĩ: hai chân 1, 2 dùng để cấp nguồn cho LCD hoạt động, chân thứ 3 được nối vào đầu ra của biến trở dùng để điều chỉnh độ tương phản, 2 chân 15, 16 là hai chân cấp nguồn.
Từ chân 4 đến chân 14 là các chân điều khiển được nối với vi điều khiển, các chân 4, 5, 6 được dùng để điều khiển hoạt động của LCD, các chân cịn lại là 8 bit data dùng để truyền nhận dữ liệu.
k. Khối bàn phím
Hình 2.60: Bàn phím keypad 4x4
Bàn phím Keypad được thiết kế bằng cấc cơng tắc nhấn (cơng tắc luơn hở ở trạng thái bình thường). Khi nhấn một phím trên bàn phím thì cơng tắc sẽ đĩng lại lúc đĩ hai đường chân PORT nối tới cơng tắc sẽ giao nhau tạo ra mức logic giống nhau và bằng phương pháp quét các chân PORT ta sẽ phát hiện ra phím được nhấn.
Hình 2.61:Cấu tạo keypad
2.3.3.2.Thiết kế mạch và giải thuật điều khiển a. Mạch điều khiển
Khối nguồn
Dùng nguồn 12VDC cấp cho mạch cơng suất: IRF 540, các role để điều khiển các động cơ.
Dùng nguồn 5VDC nuơi vi điều khiển và các linh kiện bán dẫn khác.
Hình 2.62: Khối nguồn 5VDC cấp cho vi điều khiển
Khối nguồn này cĩ nhiệm vụ tạo ra nguồn 5VDC ổn định (dùng LM705 để ổn áp) từ nguồn AC 220V để cấp cho các linh kiện bán dẫn và vi điều khiển.
Hình 2.63: Khối nguồn 12VDC cấp cho mạch cơng suất và động cơ
Khối nguồn cĩ nhiệm vụ tạo ra nguồn 12VDC (dùng LM7812) từ nguồn AC 220V để cấp cho khối mạch cơng suất và động cơ.
Khối điều khiển trung tâm Hình 2.64: Mạch vi điều khiển Các linh kiện bán dẫn sử dụng: Tụ 18 pi Thạch anh 11.0592 MHz Atmega 16 Tụ hĩa 4,7Uf
Khối cơng suất
Hình 2.65: Khối mạch cơng suất điều khiển động cơ cắt
Các linh kiện sử dụng: Opto PC817 IRF540 Diode 1A Role 8 chân Hoạt động
Tín hiệu từ vi điều khiển xuất ra mức logic thấp (tương ứng 0V). Do cấu tạo của Opto PC617 gồm 1 con LED, 1 tranzitor quang.Khi tín hiệu xuất ra từ vi điều khiển là mức thấp,sẽ làm con LED trong Opto sáng, kích thơng Tranzitor quang, ở đây sẽ cĩ áp 12VDC đi vào chân G con IRF540,lúc này trong IRF540 chân D thơng với chân S về mass và đưa tín hiệu mass vào role và kích role hoạt động.
Hình 2.66: Khối mạch cơng suất điều khiển động cơ uốn
Hình 2.67: Khối mạch điều khiển động cơ duỗi
Các linh kiện sử dụng trong mạch: Moc3020
Trở cơng suất
Tranzitor NPN(C1815)
Hoạt động
Tín hiệu xuất ra từ vi điều khiển là mức cao, kích Tranzitor NPN dập mass. Lúc này tín hiệu mass từ con NPN đến chân 2 của con MOC3020 làm con LED bên trong MOC3020 phát sáng làm con Triac bên trong MOC3020 được kích, cĩ dịng đi qua MOC3020, dịng đi qua MOC3020 đi vào chân G, kích thơng Triac BTA40600b. Vai trị của MOC302 trong sơ đồ mạch này tương tự như vai trị của Opto PC818, vừa cách li, vừa tạo tín hiệu điều khiển.
Khối LCD hiển thị
CHƯƠNG 3
THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
3.1. THỬ NGHIỆM 3.1.1. Kiểm tra nguồn 3.1.1. Kiểm tra nguồn
Nguồn là nguồn năng lượng chính để đảm bảo cho vi điều khiển hoạt động. Để kiểm kiểm tra nguồn, ta sử dụng đồng hồ đo.
Hình 3.2 Kiểm tra chân của vi điều khiển
3.1.2. Kiểm tra mạch cơng suất