Để người dùng có thể hiểu về cấu tạo bên trong của bất kì một sản phẩm nào, người ta đã tạo ra sơ đồ khối. Sơ đồ khối thể hiện các thành phần, cấu trúc của vi điều khiển đó và khả năng cũng như phạm vi hoạt động của nó giúp người dùng có cái nhìn trực quan và hiểu được chức năng của vi điều khiển này để ứng dụng một cách phù hợp nhất với nhu cầu sử dụng của từng hệ thống.
Mỗi họ PIC đều có một sơ đồ khối riêng. Đối với vi điều khiển PIC 18F4520 được sử dùng trong hệ thống kiểm soát lưu lượng xe ra, vào tại bãi đỗ này bao gồm các khối như sau: [6]
- Khối ALU – Arithmetic Logic Unit.
- Khối bộ nhớ chứa chương trình chính – Flash Program Memory. - Khối bộ nhớ chứa dữ liệu EEPROM – Data EEPROM.
- Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM – RAM file Register.
- Khối mã lệnh và điều khiển – Instruction Decode and Control. - Khối thanh ghi đặc biệt.
- Khối ngoại vi timer T0, T1, T2 - Khối giao tiếp nối tiếp.
- Khối chuyển đổi tín hiệu tương tư sang số - ADC. - Khối các cổng nhập xuất.
Trên sơ đồ khối sẽ thể hiện đầy đủ các khối, vị trí cũng như cách chúng tương tác và hoạt động qua lại với nhau. Chi tiết được thể hiện cụ thể như hình 2.3 dưới đây.
Hình 2.3 Sơ đồ khối PIC18F4520 [4]
Qua sơ đồ khối này ta đã biết được cấu tạo bên trong của vi điều khiển PIC 18F4520. Phần tiếp theo ta sẽ tìm hiểu về màn hình LCD 1602A, thành phần chính giao tiếp trực quan với người dùng bằng hình ảnh hiển thị.
3.2Màn hình LCD 1602A 3.2.1 Giới thiệu
Hình 2.4: Màn hình LCD 1602A
Màn hình LCD 16x2 là màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị các dòng chữ hoặc số trong bảng mã ASCII. Màn hình text LCD 16x2 được chia sẵn thành từng ô và ứng với mỗi ô chỉ có thể hiển thị một ký tự ASCII. Mỗi ô của Text LCD bao gồm các “chấm” tinh thể lỏng, việc kết hợp “ẩn” và “hiện” các chấm này sẽ tạo thành một ký tự cần hiển thị. Màn hình LCD 16x2 là loại có 2 dòng và mỗi dòng có thể hiển thị tối đa 16 ký tự.
Màn hình text LCD1602A xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến,
nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án.[6]
3.2.2 Đặc điểm
Đặc điểm của màn hình LCD 1062A như sau: - Điện áp hoạt động là 5 V
- Kích thước 80 x 36 x 12.5 mm. - Chữ đen, nền xanh lá.
- Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
- Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.
- Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.
- Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
Chi tiết thông số kỹ thuật cụ thể của LCD 1062A được thể hiện trong bảng 2.3 sau:
Bảng 2. 3 Chi tiết thông số kỹ thuật LCD 1602A[6]
Chân Ký hiệu Mô tả Giá trị 1 VSS GND 0V 2 VCC 5V 3 V0 Độ tương phản
4 RS Lựa chọn thanh ghi RS = 0 (mức thấp) chọn thanh ghi lệnh RS = 1 (mức cao) chọn thanh ghi dữ liệu 5 R/W Chọn thanh ghi đọc/viết dữ liệu R/W = 0 thanh ghi viết R/W = 1 thanh ghi đọc 6 E Enable
7 DB0 Chân truyền dữ liệu 8bit: DB0DB7
8 DB1 9 DB2 10 DB3 11 DB4 12 DB5 13 DB6 14 DB7 15 A Cực dương LED nền 0V đến 5V 16 K Cực âm LED nền 0V 3.3Cảm biến tiệm cận 3.3.1 Giới thiệu
Cảm biến có tác dụng phát hiện xe, trong mô hình này có 2 cảm biến phát hiện xe tới và xe qua. Loại cảm biến sẽ sử dụng là cảm biến tiệm cận.
Cảm biến tiệm cận dùng phát hiện vật thể kim loại từ tính, kim loại không từ tính (như Nhôm, đồng...) sử dụng cảm biến loại điện cảm (Inductivity Proximity Sensor) và phát hiện vật phi kim sử dụng loại cảm biến tiệm cận kiểu điện dung (Capacitve Proximity Sensor).
Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là “PROX” tên tiếng anh là Proximity Sensors) phản ứng khi có vật ở gần cảm biến. Trong hầu hết các trường hợp, khoảng cách này chỉ là vài mm. Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác của máy. Đặc biệt cảm biến này hoạt động tốt ngay cả trong những môi trường khắc nghiệt.
Hình 2.5: Cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện. Có ba hệ thống phát hiện để thực hiện công việc chuyển đổi này: hệ thống sử dụng dòng điện xoáy được phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ, hệ thống sử dụng sự thay đổi điện dung khi đến gần vật thể càn phát hiện, hệ thống sử dụng nam châm và hệ thống chuyển mạch cộng từ.[5]
3.3.2 Đặc điểm cảm biến tiệm cận
- Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, không tác động lên vật, khoảng cách xa nhất tới 30mm.
- Hoạt động ổn định, chống rung động và chống shock tốt.
- Tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn (limit switch). - Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi.
- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt
3.3.3 Phân loại cảm biến tiệm cận
Có hai loại cảm biến tiệm cận chính có thể kể đến. Đó là loại cảm ứng từ và loại điện dung.
Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ
- Cảm ứng từ loại có bảo vệ (Shielded): Từ trường được tập trung trước mặt sensor nên ít bị nhiễu bởi kim loại xung quanh, tuy nhiên khoảng cách đo ngắn đi.
- Cảm ứng từ loại không có bảo vệ (Un-Shielded): Không có bảo vệ từ trường xung quanh mặt sensor nên khoảng cách đo dài hơn, tuy nhiên dễ bị nhiễu của kim loại xung quanh.
Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung
Cảm ứng này phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor), có thể phát hiện tất cả vật thể.
3.3.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận hoạt động theo nguyên lý trường điện từ phát ra xung quanh cảm biến với khoảng cách tối đa 30mm và gặp vật thể thì nó sẽ phát tín hiệu truyền về bộ xử lý
Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận cảm ứng từ:
- Cảm biến từ tiệm cận bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu cảm ứng. Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động quanh nó. Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát.
- Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật.
- Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi.
- Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau đó thay đổi đầu ra. vật đã được phát hiện.
- Vì nguyên tắc vận hành này sử dụng trường điện từ nên cảm biến tiệm cận vượt trội hơn cảm biến quang điện về khả năng chống chịu với môi trường. Ví dụ: dầu hoặc bụi thường không làm ảnh hưởng đến sự vận hành của cảm biến.
Hình 2. 6 Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận cảm ứng từ
- Đầu ra của Cảm biến Cảm ứng
- Ngày nay, hầu hết cảm biến cảm ứng đều có đặc điểm đầu ra tranzito có logic NPN hoặc PNP. Những loại này còn được gọi là kiểu DC-3 dây.
- Trong một số trường hợp cài đặt, người ta sử dụng cảm biến tiệm cận có 2 kết nối (âm và dương). Chúng được gọi là kiểu DC-2 dây (xem sơ đồ bên dưới).
Hình 2. 7 Tín hiệu ra của cảm biến từ loại 2 dây và 3 dây
3.3.5 Chế độ hoạt động Thường Mở/Thường Đóng
Cảm biến tiệm cận được chia theo chế độ hoạt động thường mở (NO) và thường đóng (NC) mô tả tình trạng có tín hiệu đầu ra của cảm biến sau khi có hoặc không phát hiện được vật.
- Thường mở: Tín hiệu điện áp cao khi phát hiện ra vật; tín hiệu điện áp thấp khi không có vật
- Thường đóng: Tín hiệu cao khi không có vật; tín hiệu thấp khi phát hiện ra vật.
- Di chuyển chuột (=vật) của bạn qua cảm biến để làm bóng đèn sáng, hãy xem ví dụ minh họa tương tự với đầu ra thường đóng (NC). Bóng đèn tắt ngay khi vật (chuột) di chuyển đến gần cảm biến.
Ví dụ minh họa ở bên trái trình bày cảm biến tiệm cận DC-2 dây có đầu ra thường mở (NO). Đầu ra hoạt động khi vật di chuyển gần cảm biến.
Cảm biến tiệm cận có cả hai đầu ra NO và NC được gọi là kiểu đối lập. - Lưu ý: Kiểu NO/NC dùng cho cả cảm biến điện cảm và cảm biến điện dung. Hình này trình bày cảm biến điện dung.
- Cảm biến Cảm ứng Được bảo vệ / Flush /Shielded
- Cảm biến tiệm cận được bảo vệ có cấu tạo gồm một tấm chắn quanh lõi từ. Tấm này có tác dụng dẫn trường điện từ đến trước phần đầu.
Hình 2. 8 Cảm biến từ đầu ra NO 2 dây
- Cảm biến tiệm cận được bảo vệ có thể được lắp chìm bằng mặt trên bề mặt kim loại, nếu không gian chật hẹp. Điều này cũng có lợi là có thể bảo vệ cảm biến về mặt cơ học.
- Tuy nhiên, phạm vi phát hiện bị hạn chế, nhưng có thể lắp cảm biến dễ dàng với các kim loại xung quanh mà không gây ra ảnh hưởng nào.
- Cảm biến Cảm ứng Không được bảo vệ / Non-Flush / UnShielded
- Cảm biến không được bảo vệ, không có lớp bảo vệ quanh lõi từ. Sự khác biệt giữa cảm biến được bảo vệ và không được bảo vệ có thể quan sát được một cách dễ dàng.
Thiết kế này cho khoảng cách phát hiện lớn hơn cảm biến tiệm cận được bảo vệ. Cảm biến không được bảo vệ có khoảng cách phát hiện gần gấp đôi so với loại được bảo vệ có cùng kích thước đường kính.
Không thể lắp Cảm biến tiệm cận không được bảo vệ chìm bằng mặt với bề mặt kim loại Do đó, khả năng bảo vệ về mặt cơ học thấp hơn. Vì từ trường mở rộng ra tới cạnh của cảm biến, nên có thể bị ảnh hưởng của những kim
loại trong khu vực này. Cảm biến tiệm cận không được bảo vệ cũng nhạy cảm hơn với giao thoa hỗ tương.
Hình 2. 9 Cảm biến từ loại có bảo vệ đầu dò
Hình 2. 10 Cảm biến từ loại không có bảo vệ đầu dò
Cảm biến tiệm cận Loại Cảm Ứng Điện Dung
Nguyên Tắc Hoạt Động:
Phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor), có thể phát hiện tất cả vật thể.
Ứng dụng của cảm biến tiệm cận
- Kiểm tra gãy mũi khoan: Xuất tín hiệu báo khi khoan bị gãy mũi. Trong trường hợp này vì mũi khoan khá nhỏ nên việc sử dụng sensor có bộ khuếch đại rời là thích hợp nhất.
- Phát hiện Palette đi ngang qua: Phát hiện sản phẩm để trong palette sắt. Trong các ứng dụng phát hiện có/ không có vật kim loại sắt từ, cảm biến tiệm cận E2E, E2B của Omron là sự lựa chọn tốt nhất.
- Phát hiện lon nhôm: Loại các lon không phải lon nhôm ra khỏi băng chuyền. Trong một số ứng dụng cần phân loại giữa nhôm và các kim loại khác, cảm biến chỉ phát hiện nhôm/đồng là sự lựa chọn tinh tế
- Đếm lon bia sản xuất trong ngày: Sử dụng sensor tiệm cận loại cảm ứng từ E2E, E2B của Omron để phát hiện lon bia nhôm. Tín hiệu từ sensor xuất ra khi phát hiện lon nhôm được đưa về bộ đếm counter, counter sẽ hiển thị chính xác số lượng lon bia sản xuất trong từng ca.
- Phát hiện/ hoặc đếm vật kim loại: Cảm biến E2EV được dùng trong các ứng dụng chỉ cần phát hiện có/ không có vật kim loại mà không cần phân biệt kim loại nào.
- Giám sát hoạt động của khuôn dập: Phát hiện và đếm số lần khuôn dập được trong ngày. Sử dụng sensor tiệm cận loại cảm ứng từ E2E, E2B của Omron để phát hiện và đếm số lần khuôn dập trong ngày một cách chính xác.
Một số dạng cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận với thân thiết kế dạng trụ M4, M5, M8.Với kích thước siêu nhỏ, có thể phát hiện những vật kim loại nhỏ, đáp ứng cho những ứng dụng cần cảm biến có kích thước nhỏ.
- Kích thước thân: M4, M5, M8, M12, M18, M30. - Vật liệu thân bên ngoài: inox, nickel-plated brass.
- Kiểu điện áp: 2 hoặc 3 dây DC và 2 dây AC (20-250VAC). - Phạm vi: 0.8~22mm
- Kết nối cáp có sẵn hoặc jack cắm M8, M12. - Tần số hoạt động: 1khz đến 2 kHz.
Hình 2. 11 Cảm biến tiệm cận M5 - phi 5 mm
Cảm biến tiệm cận với thiết kế dạng thân vuông được thiết kế dưới dạng kích thước nhỏ gọn (compact size). Thân được thiết kế bằng kim loại hoặc bằng nhựa, mặt cảm biến dạng rồi, hoặc dạng phẳng.
Hình 2. 12 Các loại cảm biến than vuông
- Sử dụng điện áp DC 2 dây 20-250VAC/DC, 3 hay 4 dây. - Khoảng cách hoạt động: 30mm.
- Tần số hoạt động từ 25 – 40 Hz.
Cảm biến tiệm cận với thiết kế chịu nhiệt cao được thiết kế có khả năng làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao, với kích thước nhỏ gọn, hoạt động với tần số cao có thể đáp ứng các yêu cầu khắc nghiệt của môi trường cũng như các ứng dụng. - Tần số hoạt động: 3000 Hz. - Nhiệt độ hoạt động: -25 – 120 độ C. - IP: 67 - Điện áp: 10 – 30 VDC. - Cáp kết nối: Silicon 2 mét. - Ngõ ra: NPN hoặc PNP
Cảm biến tiệm cận với ngõ ra analog 4-20mA hoặc 0-10VDC
Hình 2. 13 Cảm biến tiệm cận ngõ ra analog 0-10VDC, phi 18, phi 30mm
Cảm biến tiệm cận được thiết kế sử dụng trong việc đo khoảng cách tiếp xúc các cơ cấu máy móc với khoảng cách gần và tần số thay đổi khoảng cách cao.
- Nguồn cấp: 12-24VDC.
- Kích thước đường kính: M18, M30. - Ngõ ra: 0-10mA, 4-20mA, 0-10VDC.
- Khoảng cách hoạt động: 0.8-8mm đối với M18, 1.5-15mm đối với M30. Một số lưu ý khi sử dụng cảm biến tiệm cận
- Ta phải xác định mình đang đo cái gì? - Tốc độ xử lý của cảm biến nhanh hay chậm
- Độ chính xác khu vực đo có cần chính xác cao không?
- Kiểm tra sức ảnh hưởng của môi trường xung quanh khu vực đo xem có lượng từ trường lớn như nam châm không; để tìm biện pháp xử lý vì đây là một trong những nguyên nhân gây sai số trong khi đo của cảm biến
- Khu vực đo rung hay không? - Nhiệt độ môi trường cao không?
- Khoảng cách cảm biến đo tới vật cần đo là bao nhiêu?
- Tuy vào nhu cầu của các nhà máy khác nhau mà chúng ta nên kiểm tra kỹ và