Chƣơng 3: Thiết kế mụ hỡnh hệ thống đo lực cho quỏ trỡnh cố định xƣơng bằng tensomet( strain gauge rosettes)
3.5.2. Modul Vi điều khiển
Dựng vi điều khiển của hãng Atmel đó là vi điều khiển Atmega8 thuộc dòng
AVR. Việc đọc, biến đổi và truyền nhận dữ liệu vào máy tính đ-ợc thực hiện nhờ việc tích hợp sẵn các modul phần cứng trong vi điều khiển nh-: ADC, UART,
ADC Vi xử lý Txd Rxd Gnd Max 232 Mỏy tớnh + Phần mềm Txd Rxd Gnd Analog Input
D-ới đây là sơ đồ của vi điều khiển Atmega8 :
Hình 3.34: Mô hình Atmega8
Atmega8 gồm có 28 chân đ-ợc trình bày đầy đủ trên datasheet. Cụ thể ngoài các
cổng giao tiếp I/O (là các PORTB, PORTD, PORTC), Nó còn cóc các chân đ-ợc nối với thạch anh để đảm bảo cho vi điều khiển hoạt động đó là chân số 9 và 10. Chân 7 , 8 và chân 22 dùng để cấp nguồn +5V cho vi điều khiển. Chân số 20 và 21 để cấp nguồn cho bộ ADC và dùng để so sánh điện áp. chân 1 là chân RESET ngoài bằng phần cứng (cụ thể là nếu nó đ-ợc RESET tức là đ-a điện áp về mức 0). Các chân 1(RESET), 17(MOSI), 18(MISO), 19(SCK) dùng để nạp ch-ơng trình phần mềm cho chip. Ta sử dụng bộ ADC và bộ UART (bộ truyền nhận dữ liệu của vi điều khiển) cho việc đo biến dạng và truyền thông.
Bộ ADC:
Trên vi điều khiển Atmega8 đ-ợc tích hợp sẵn bộ ADC có 6 kênh đầu vào từ ADC0 đến ADC5 đ-ợc lựa chọn bằng phần mềm. Bộ ADC có thể hoạt động ở các chế độ free running(chế độ biến đổi liên tục) hoặc chế độ conversion mode(biến đổi theo ng-ời dùng). ADC co thể làm việc ở chế độ phân giải 8 bít hoặc 10 bít. Tốc độ biến đổi của ADC là từ : (13 – 260us)/ mẫu.
Nh- hình trên ta thấy các kênh đầu vào của ADC đ-ợc lựa chọn qua thanh ghi ADMUX, nó có các bít nh- sau:
Hình 3.36. thanh ghi ADMUX
Các bít 5, 6, 7 đ-ợc sử dụng để lựa chọn điện áp so sánh cho bộ ADC. Các bít từ 0 – 3 đ-ợc dùng để lựa chọn kênh đầu vào cho bộ ADC. bít số 4 là bít bỏ qua .
Thanh ghi trạng thái và điều khiển bộ ADC là: ADCSRA
Hình 3.37. Thanh ghi trạng thái và điều khiển
Các bít của thanh ghi có chức năng dùng cho bộ ADC là: cho phép hoạt động(bit 7 set lên 1) , bắt đầu biến đổi( bit 6 đ-ợc set lên 1), cho chạy ở chế độ free running hay không(bít 5 set lên 1 la chọn), cờ ngắt khi biến đổi xong(bít 4 set lên 1), l-a chon và kích hoat ngắt (bit 2 và 3 set lên 1),cho phép ngắt ADC hoạt động… Thanh ghi quan trong nhất của ADC là thanh ghi để chứa giá trị biến đổi đ-ợc, đây là thanh ghi 16 bít. Gồm hai thanh ghi 8 bit là: ADCL và ADCH. Thanh ghi này chỉ có thể đọc mà không thể ghi vào đ-ợc. Thanh ghi đ-ợc nối trực tiếp với đ-ờng bus để CPU có thể truy nhập. Do bộ ADC phân giải tối đa là 10 bit nên các bit còn lại từ bit 10 – 15 là không dùng đến và luôn có giá trị là 0.
Hình 3.38. Thanh ghi dữ liệu ADC (ADCH và ADCL)
Bộ ADC còn có thanh ghi điều khiển so sánh tín hiệu t-ơng tự ACSR:
Hình 3.39. Thanh ghi điều khiển và so sánh tín hiệu analog
Cho phép ADC sử dụng hay không sử dụng bộ so sánh analog(bit 7 set lên 1 la không sử dụng).
Ngoài ra còn có thanh ghi I/O chức năng đặc biệt:
Hinh 3.40. Thanh ghi I/O
Không sử dụng chức năng vào ra đặc biệt ( các bit đ-ợc set ở 0).
Trong thí nghiệm này, chân AREF của Atmega8 đ-ợc dùng để làm điện áp so sánh và đ-ợc nối với nguồn +5V. kênh ADC0 của ADC đ-ợc chọn để biến đổi tín
Bộ uart:
Vi điều khiển Atmega8 đ-ợc trang bị bộ UART nên ta có thể đễ dàng giao tiếp vi điều khiển với các thiết bị khác. Bộ UART có thể truyền thông với khung truyền 5 bit đến 9 bit và tốc độ có thể lên đến 1Mbit/s. trên mô hình của Atmega8 hai chân số 2 và 3 đ-ợc dùng để truyền dữ liệu nối tiếp và nhận dữ liệu về. UART của vi điều khiển đ-ợc dùng để truyền, nhận dữ liệu giữa máy tính và vi điều khiển.
D-ới đây là sơ đồ khối của bộ UART:
Để bộ UART hoạt động thì nó phải đ-ợc điều khiển và cài đặt qua các thanh ghi: UCSRA, UCSRB, UCSRC, UDR, UBRRH, UBRRL. Chúng có nhiệm vụ thiết đặt thông số truyền, điều khiển đ-ờng truyền, trạng thái đ-ờng truyền và các thông số có liên quan. Cụ thể:
Thanh ghi UCSRA:
Đây là thanh ghi trạng tháI và điều khiển UART:
Hình 3.42. Thanh ghi điều khiển và trạng thái đ-ờng truyền
Các bit của thanh ghi cho phép kiểm tra xem bộ truyền đệm và bộ đệm nhận có trống hay không(bit 5 set lên 1 là trống) để có thể tiếp tục gửi ký tự tiếp theo cũng nh- nhận ký tự mới. Ngoài ra nó còn báo cho ng-ời dùng biết là quá trình truyền nhận đã hoàn thành hay ch-a bằng cách dựng lên các cờ RXC(bit 7), TXC(bit 6). Các bit còn lại báo cho ta biết có quá trình lỗi xảy ra hay không, gồm các lỗi nh- lỗi party(bit 2 set lên 1 có kiểm tra), lỗi khung truyền(bit 4).
Thanh ghi UCSRB :
Đây là thanh ghi điều khiển và ghi lại trạng thái của UART:
Các bit của thanh ghi bao gồm các chức năng : cho phép bộ truyền hoạt động(bit 3 set lên 1), cho phép ngắt bộ truyền hay bộ nhận hoạt động(bit 7 đ-ợc set , bit 6 đ-ợc set), cho phép bộ nhận hoạt động(bit 4 set lên 1), truyền, nhận 8bit(bit 1, bit 0).
Thanh ghi UCSRC:
Đây là thanh ghi điều khiển và trạng thái đ-ờng truyền của UART:
Hình 3.44. Thanh ghi điều khiển và trạng thái đ-ờng truyền
Các bit của thanh ghi dùng để định nghĩa khung truyền, định số bit stop(bit 3 là 0: có 1, là 1 có 2), có kiểm tra party hay không, chọn chế độ hoạt động cho UART. Thanh ghi UBRRH và UBRRL:
Đây là cặp thanh ghi đ-ợc coi nh- là một thanh ghi 16bit dùng để ấn định tốc độ baud, tốc độ baud đ-ợc nạp trực tiếp vào thanh ghi này.
Hình 3.45. Thanh ghi UBRRH và UBRRL
Thanh ghi UDR:
Đây là thanh ghi bộ đệm truyền và bộ đệm nhận. Nếu muốn truyền hay nhận một ký tự thì tr-ớc tiên nó đ-ợc đ-a đến bộ đệm rồi chờ xử lý. Thanh ghi này đ-ợc nối trực tiếp với đ-ờng bus chung để CPU xử lý.
Hình 3.46. Thanh ghi UDR
Neu có 5, 6 hoặc 7 ký tự thì đ-ợc bộ đệm truyền đợi , bộ đệm nhận set là 0. D-ới đây là sơ đồ mạch và mạch in của mạch ghép nối vi điều khiển Atmega8:
\
Hỡnh 3.49. Sơ đồ mạch Max232
Phần lập trỡnh cho ADC được trớch dẫn trong Phụ lục 1