thiết kế mạch điều khiển ổn nhiệt và hiển thị nhiệt trong mô hình máy ấp trứng

Thời gian qua, nhờ nhận được sự quan tâm dìu dắt cũng như dạy bảo tận tâm
của quý thầy cô trong trường, khoa và thầy cô Bộ môn Vật lý Điện tử mà chúng em
mới có thể hoàn thành tốt khóa học. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các
thầy cô!
Đặc biệt, trong thời gian thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp: “Thiết kế
mạch điều khiển ổn nhiệt và hiển thị nhiệt trong mô hình máy ấp trứng”, em đã
nhận được sự hướng dẫn, hỗ trợ tận tình của thầy Tống Thanh Nhân, giảng viên Bộ
môn Vật lý Điện tử. Qua đây em cũng xin gửi lời tri ân sâu sắc tới thầy.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2009
Nguyễn Ngọc Phương
i
Lời cảm ơn i
Mục lục ii
Danh sách các hình v
Danh sách các bảng viii
Lời mở đầu 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT VI
ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16 2
1.1 Giới thiệu về AVR 2
1.2 Đặc điểm của AVR 2
1.2.1. Kiến trúc RISC 2
1.2.2. Bộ phận ngoại vi 3
1.2.3. Tốc độ xung clock 3
1.2.4. Bộ nhớ chương trình 4
1.2.5. Khả năng lập trình được 4
1.2.6. Điện áp sử dụng 5
1.3 Vi điều khiển Atmega 16 5
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ KHẢO SÁT PLC CP1L 8
2.1 Tổng quan về PLC 8
2.1.1 Khái niệm về PLC 8
2.1.2 Đặc điểm của PLC 8

2.1.3 Cấu trúc phần cứng của PLC 10
2.1.3.1 Bộ xử lý trung tâm 11
2.1.3.2 Bộ nhớ 11
2.1.3.3 Khối vào/ra 12
2.2 Cơ bản về lập trình PLC 13
2.2.1 Đại số Boole 13
2.2.2 Các hệ mạch logic 14
2.2.3 Sơ đồ Grafcet 16
ii
2.2.3.1 Một số ký hiệu trong Grafcet 16
2.2.3.2 Chuyển tiếp trạng thái trong Grafcet 17
2.2.3.3 Phân nhánh trong Grafcet 17
2.2.3.4 Bước nhảy trong Grafcet 18
2.2.3.5 Cách xây dựng sơ đồ Grafcet 19
2.2.4 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình bậc thang Ladder. .19
2.2.4.1 Khái niệm công tắc thường mở và
công tắc thường đóng và một số dòng lệnh 19
2.2.4.2 Cấu trúc chương trình điều khiển 20
2.2.4.3 Các lệnh sơ đồ ladder 21
2.3 Khảo sát PLC CP1L 28
Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM CODEVISIONAVR, PHẦN
MỀM CX-PROGRAMER 33
3.1 Phần mềm lập trình codevision 33
3.1.1 Thiết lập cổng vào ra: 33
3.1.2 Cách sử dụng phần mềm CodeVision 35
3.2 Phần mềm CX-programer 40
3.2.1 Giới thiệu phần mềm CX-Programmer 40
3.2.2 Cách sử dụng phầm mềm CX-Programmer 41
Chương 4: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI VÀ ỨNG DỤNG 48
4.1 Mục tiêu của đề tài 48

4.2 Phần cứng và các mạch giao tiếp 49
4.2.1 Mạch ổn áp tạo nguồn 5V 49
4.2.2 Mạch cảm biến nhiệt LM35 50
4.2.3 Mạch hiển thị LCD 54
4.2.4 Mạch cảm biến vị trí(cảm biến hồng ngoại) 58
4.2.5 Mạch điều khiển đổi chiều động cơ DC 59
4.2.6 Giao tiếp giữa các thiết bị với PLC 61
4.3 Phần mềm và kết quả thực hiện 64
iii
4.3.1 Chương trình viết bằng phần mềm CX-
programer để điều khiển, ổn định nhiệt và điều khiển
hoạt động của động cơ 64
4.3.2 Chương trình viết bằng phần mềm
codevisionAVR để hiển thị nhiệt và truyền tín hiệu
tới PLC 65
4.3.3 Những kết quả đạt được 70
4.4 Tổng kết và hướng phát triển 72
Tài liệu tham khảo 73
iv
Danh sách các hình
Hình 1.1 So sánh thời gian thực hiện 2 lệnh ở các bộ xử lý khác nhau 4
Hinh 1.2 Hình biểu đồ khối bên trong của Atmega16 6
Hình 1.3 Sơ đồ chân của Atmega16 7
Hình 2.1 Sơ đồ khối bên trong PLC 9
Hình 2.2 Sơ đồ khối cấu trúc bên trong PLC 11
Hình 2.3 Mạch cách ly quang 12
Hình 2.4 Mạch logic trình tự 15
Hình 2.5 Mạch logic tổ hợp 15
Hình 2.6 Sơ đồ Grafcet 16
Hình 2.7 Biểu diễn một số trạng thái trong Grafcet 16

Hình 2.8 Chuyển tiếp trạng thái trong Grafcet 17
Hình 2.9 Sơ đồ rẽ nhánh 17
Hình 2.10 Sơ đồ song song 18
Hình 2.11 Bước nhảy trong Grafcet 18
Hình 2.12 Hình minh họa hoạt động của các lệnh PLC 20
Hình 2.13 Các dòng lệnh trong PLC 20
Hình 2.14 Sơ đồ Grafcet và chương trình ladder 28
Hình 2.15 PLC CP1L 28
Hình 2.16 Kết nối PLC với một số thiết bị 29
Hình 2.17 Biểu đồ so sánh tốc độ xử lý một số loại PLC 29
Hình 3.1 Khởi tạo ban đầu trước khi viết chương trình trong
codevision 34
Hình 3.2 35
Hình 3.3 35
Hình 3.4 36
Hình 3.5 36
Hình 3.6 37
Hình 3.7 37
v
Hình 3.8 38
Hình 3.9 38
Hình 3.10 39
Hình 3.11 Khởi tạo LCD 39
Hình 3.12 Khởi tạo ADC 40
Hình 3.13 41
Hình 3.14 41
Hình 3.15 42
Hình 3.16 42
Hình 3.17 43
Hình 3.18 43

Hình 3.19 43
Hình 3.20 44
Hình 3.21 44
Hình 3.22 45
Hình 3.23 45
Hình 3.24 46
Hình 3.25 46
Hình 3.26 47
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp 50
Hình 4.2 Mạch nguồn thực hiện 50
Hình 4.3 Cảm biến LM35 50
Hình 4.4 Mạch hoạt động LM35 51
Hình 4.5 Mạch khuếch không đảo tín hiệu ra dùng Op-Ampl LA 324(sử
dụng một Op-Ampl chân 1,2,3) 52
Hình 4.6 Sơ đồ chân op-ampl LA 324 52
Hình 4.7 Sơ đồ chuyển đổi nhiệt độ thành điện thế 53
Hình 4.8 Mạch thực hiện được LM35 53
Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD 54
Hình 4.10 Chuyển đổi ADC 54
vi
Hình 4.11 LCD 16x2 55
Hình 4.12 Mạch hiển thị ra LCD thực hiện 57
Hình 4.13 Phản xạ tia hồng ngoại tại các bề mặt 58
Hình 4.14 Mạch thu phát hồng ngoại 58
Hình 4.15 Mạch thực hiện thu phát hồng ngoại 59
Hình 4.16 Mạch cầu H điều khiển đổi chiều động cơ 59
Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý mạch relay 60
Hình 4.18 Mạch relay điều khiển đổi chiều động cơ thực hiện 60
Hình 4.19 Sơ đồ giao tiếp các thiết bị 61
Hình 4.20 Kết nối ngõ vào PLC 62

Hình 4.21 Kết nối ngõ ra PLC 63
vii
Danh sách các bảng
Bảng 2.1 Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống
điều khiển 10
Bảng 2.2 Bảng các cổng và phép toán đại số Boole 13
Bảng 2.3 Các modul CPU 30
Bảng 2.4 Đặc tính với đầu ra rơle 30
Bảng 2.5 Đặc tính của PLC CP1L 31
Bảng 4.1 Đặc tính điện của KA7805A 49
Bảng 4.2 Mô tả chân LCD 56
viii
Ngày nay, với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, ngành điện tử
đã và đang được ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp. Các thiết bị điện tử
như PLC và các vi điều khiển với rất nhiều ưu điểm trong điều khiển tự động cũng
như bán tự động đã giúp cho các ngành công nghiệp ngày nay phát triển một cách
hiệu quả.
Ưu điểm của PLC và vi điều khiển: Tích hợp gọn, nhẹ, dễ lập trình, giá
thành rẻ, phù hợp với môi trường công nghiệp, thay thế và bảo hành đơn giản,
nhanh gọn, giao tiếp với nhiều thiết bị Để nghiên cứu sâu hơn về các thiết bị này
và ứng dụng chúng trong đời sống nên em chọn đề tài nghiên cứu về việc dùng vi
điều khiển và PLC để đo và hiển thị nhiệt độ, ổn định nhiệt và điều khiển các quá
trình hoạt động trong mô hình máy ấp trứng.
Nội dung nghiên cứu của đề tài: Tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động của họ
vi điều khiển AVR nói chung và vi điều khiển atmega16 nói riêng, về hoạt động của
PLC và ứng dụng PLC CP1L, ứng dụng cảm biến nhiệt, và hoạt động của động cơ
DC, sử dụng phần mềm codevisionAVR và phần mềm CX-programer để viết
chương trình điều khiển.
Qua thời gian nghiên cứu nay em đã hoàn thành các mạch giao tiếp, điều
khiển bằng chíp atmega16 và PLC CP1L trong mô hình máy ấp trứng với số lượng

30 trứng.
Đề tài được chia làm các phần như sau:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT VI ĐIỀU
KHIỂN ATMEGA 16.
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ KHẢO SÁT PLC CP1L
Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM CODEVISIONAVR, PHẦN
MỀM CX-PROGRAMER
Chương 4: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI VÀ ỨNG DỤNG
1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT VI ĐIỀU
KHIỂN ATMEGA 16.
1.1 Giới thiệu về AVR
Vi điều khiển AVR thuộc họ vi điều khiển do Atmel (Na Uy) sản xuất
(Atmel cũng là nhà sản xuất các vi điều khiển họ 89C51). Đây là họ vi điều khiển
được chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) có cấu trúc
khá phức tạp. Ngoài các tính năng như các họ vi điều khiển khác, nó còn tích hợp
nhiều tính năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế và lập trình. Sự ra đời của AVR
bắt nguồn từ yêu cầu thực tế là hầu hết khi cần lập trình cho vi điều khiển, chúng ta
thường dùng những ngôn ngữ bậc cao HLL (Hight Level Language) để lập trình
ngay cả với loại chíp xử lí 8 bit trong đó ngôn ngữ C là ngôn ngữ phổ biến nhất.
Tuy nhiên, khi biên dịch thì kích thước đoạn mã sẽ tăng nhiều so với dùng ngôn
ngữ Assembly. Hãng Atmel nhận thấy rằng cần phải phát triển một cấu trúc đặc biệt
cho ngôn ngữ C để giảm thiểu sự chênh lệch kích thước mã đã nói trên. Và kết quả
là họ vi điều khiển AVR ra đời với việc làm giảm kích thước đoạn mã khi biên dịch
và thêm vào đó là thực hiện lệnh đúng đơn chu kỳ máy với 32 thanh ghi tích lũy và
đạt tốc độ nhanh hơn các họ vi điều khiển khác từ 4 đến 12 lần.
1.2 Đặc điểm của AVR
So với các chíp vi điều khiển khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả
trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng. Gần như chúng ta
không cần lắp thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR, thậm chí không cần

nguồn tạo xung clock cho chíp (thường là các khối thạch anh). Thiết bị lập trình
(mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp chỉ cần vài điện trở là có thể
làm được. Một số AVR còn hỗ trợ lập trình on-chip bằng bootloader không cần
mạch nạp. Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích
với C.
Hầu hết các chíp có những tính năng sau :
1.2.1. Kiến trúc RISC
Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ
nạp lưu trữ (load-store) và 32 thanh ghi đa năng.
2
Kiến trúc RISC (viết tắt của Reduced Instructions Set Computer – máy tính
với tập lệnh đơn giản hoá) là một phương pháp thiết kế các bộ vi xử lý hoặc vi điều
khiển theo hướng đơn giản hoá tập lệnh, trong đó thời gian thực thi của hầu hết các
lệnh đều như nhau. Hiện nay các bộ vi xử lý RISC phổ biến là PIC, ARM. DEC
Alpha, AVR của Atmel, . . .
Triết lý cho phát triển RISC đó là cắt giảm bộ vi xử lý để chỉ còn lại những
bộ phận thiết yếu của nó. Những gì không thực sự cần thiết sẽ bị vứt bỏ. Với các
nhà lập trình thì đó có nghĩa là các chíp RISC thường không thể thực hiện một phép
nhân đơn giản. Lý thuyết của phép nhân là thực hiện liên tiếp nhiều phép cộng, do
đó lệnh ADD là đủ.
Một ý khác của RISC đó là các chức năng phức tạp thích hợp thực hiện bằng
phần mềm hơn là bằng phần cứng. Phần mềm thì dễ thay đổi, dễ cập nhật, và tạo ra
nhanh hơn. Viết mã mới nhanh hơn là thiết kế và xây dựng một chíp mới. Do đó các
máy tính dựa trên RISC có thể được nâng cấp nhanh hơn. Các chương trình và các
thuật toán có thể điều chỉnh và cải tiến. Tốt nhất là phần cứng RISC phải được đơn
giản hóa, tối ưu hóa sao cho nó chạy nhanh hơn. Các tạp chí kỹ thuật và các xuất
bản thương mại đã quảng cáo sâu rộng RISC như là một lĩnh vực mới cho máy tính.
1.2.2. Bộ phận ngoại vi
Các bộ phận ngoại vi được tích hợp ngay trên chíp, bao gồm cổng I/O số, bộ
biến đổi ADC, bộ nhớ EFPROM, bộ định thời, UART, bộ định thời RTC, bộ điều

chế độ rộng xung (PWM), . . . Đặc điểm này được xem là nổi bật so với nhiều vi
điều khiển khác vì trong khi nhiều bộ xử lý khác phải tạo bộ truyền nhận UART
hoặc giao diện SPI bằng phần mềm hay “máy ảo” thì trên vi điều khiển AVR lại
được thực hiện bằng phần cứng
1.2.3. Tốc độ xung clock
Hoạt động với tốc độ đồng hồ lên đến 16 Mhz. So với các vi điều khiển khác
thì vi điều khiển trong họ Atmel có tần số xung nhịp cho phép tương đối cao, cụ thể
là trong khoảng 6 đến 16 Mhz tuỳ theo từng loại cụ thể. Xung nhịp do bộ dao động
tạo ra cũng chính là xung nhịp của hệ thống, không hề phải cho qua bộ chia tần như
trong trường hợp các vi điều khiển ra đời trước đó, nên kéo theo tốc độ xử lý lệnh
3
tương đối cao. Kết hợp với khả năng thực hiện lệnh trong một chu kỳ xung nhịp, vi
điều khiển AVR có khả năng đạt đến tốc độ xử lý 16MIPS (16 triệu lệnh trong một
giây).
Hình 1.1 So sánh thời gian thực hiện 2 lệnh ở các bộ xử lý khác nhau.
1.2.4. Bộ nhớ chương trình
Bộ nhớ chương trình và dữ liệu đều được tích hợp ngay trên chíp. Trên chíp
vi điều khiển AVR có tới 3 công nghệ bộ nhớ khác nhau:
- Bộ nhớ EPROM xoá được kiểu flash (luôn luôn lập trình mới được) dùng
cho mã chương trình mà người dùng có thể tự lập trình được.
- Bộ nhớ EEPROM hay PROM xoá được bằng điện, nhưng nội dung bộ nhớ
vẫn giữ nguyên sau khi tắt điện áp ngồn. Chương trình người dùng có thể lập trình
trong thời gian thực khi hệ thống đang hoạt động.
- Bộ nhớ RAM tĩnh (SRAM) dùng cho các biến, nội dung của bộ nhớ sẽ mất
đi khi tắt điện áp nguồn. Ngoài ra, vi điều khiển AVR có tới 32 thanh ghi, tất cả
được nối trực tiếp với khối ALU và được trao đổi trực tiếp trên vùng địa chỉ bộ nhớ,
cụ thể là 32 ô đầu tiên của bộ nhớ (0x00 đến 0xFF) tương ứng với các thanh ghi làm
việc R0 đến R31.
1.2.5. Khả năng lập trình được
Do cách thiết kế và công nghệ bộ nhớ được sử dụng mà các vi điều khiển có

thể được lập trình ngay khi đang được cấp nguồn trên bản mạch, không cần phải
nhấc ra khỏi bản mạch như nhiều vi điều khiển của các họ vi điều khiển khác. Các
cổng giao tiếp RS-232 và SPI cho phép dễ dàng thực hiện thao tác lập trình trên hệ
thống.
4
1.2.6. Điện áp sử dụng
Cho phép thay đổi trong khoảng rộng từ 2,7V đến 6,0V, nên cho phép thể
hiện ưu điểm rõ rệt trong các thiết bị xách tay, sử dụng pin. Với các thiết bị sử dụng
pin thì một chỉ tiêu quan trọng khi thiết kế là giảm dòng điện tiêu thụ.
1.3 Vi điều khiển Atmega 16
Atmelga16L có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loại
khác thì giá thành là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới vi
điều khiển.
Những đặc tính của Atmega 16:
- Bộ nhớ Flash 16Kbyte để lưu trữ các lệnh cho vi điều khiển thực hiện, có
thể được lập trình lại với khả năng viết / xóa dữ liệu 10.000 lần.
- Bộ nhớ dữ liệu tĩnh SRAM nội 1Kbyte.
- Bộ nhớ EEPROM nội chứa 512byte dữ liệu. Mỗi byte đơn thuộc một địa
chỉ và có thể được đọc, viết và xóa đi 100.000 lần.
- Đóng vỏ 40 chân, trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT A,
B, C, D. Các chân này đều có lập trình được.
- 1 bộ truyền nhận UART lập trình được.
- Giao tiếp nối tiếp SPI (Serial Peripheral InterFace) đồng bộ: truyền dữ liệu
trên một dây và nhận dữ liệu trên 1 dây khác, một dây nữa do Master định xung
clock đồng bộ.
- Giao tiếp nối tiếp Two-Wire-Serial tương thích chuẩn I2C (Inter-Integrated
Circuit): Một dây do Master định xung clock đồng bộ, một dây được Master định
ra là truyền (write) hay nhận( read) dữ liệu với Slaver.
-2 bộ timer/counter 8 bit với chức năng đếm và so sánh riêng biệt.
-1 bộ timer/counter1 16 bit với chức năng đếm so sánh riêng biệt và lấy mẫu.

-Một bộ đếm thời gian thực với bộ dao động riêng biệt.
- 1 bộ so sánh analog.
- 4 kênh điều chế độ rộng xung PWM.
- Có 8 kênh ADC 10 bit.
5
- 1 bộ định thời Watchdog lập trình được với bộ dao động trong chíp riêng
biệt.
-Điện áp sử dụng: Atmega16L (2.7-5.5V), Atmega16 (4.5-5.5V).
-Tốc độ xử lý :Atmega16L (0-8MHz), Atmega16 (0-16MHz).
Hinh 1.2 hình biểu đồ khối bên trong của Atmega16
6
Hình 1.3 Sơ đồ chân của Atmega16
- Hai chân VCC, GND: Cấp nguồn cho vi điều khiển.
- Chân Reset: Đây là chân reset cứng khởi động lại mọi hoạt động của hệ
thống.
- Hai chân XTAL1, XTAL2 các chân tạo bộ dao động ngoài cho vi điều
khiển, các chân này được nối với thạch anh (hay sử dụng loại 4M), tụ gốm (22p).
- Chân Vref thường nối lên 5v (Vcc), nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân
này được sử dụng làm điện thế so sánh, khi đó chân này phải cấp cho nó điện áp cố
định.
- Chân Avcc thường được nối lên Vcc nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân
này được nối qua 1 cuộn cảm lên Vcc với mục đích ổn định điện áp cho bộ biến đổi.
- Atmega 16 là loại vi điều khiển 8 bit chế tạo theo kiến trúc RISC. Kết hợp
với khả năng thực hiện lệnh trong một chu kỳ xung nhịp, vi điều khiển Atmega 16
có khả năng đạt đến tốc độ xử lý 1MIPS (1triệu lệnh trong 1giây)
7
Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ KHẢO SÁT PLC CP1L
2.1 Tổng quan về PLC
2.1.1 Khái niệm về PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị điều khiển logic lập

trình được, thiết bị này có các đầu vào logic sau quá trình xử lý theo chương trình
nó cho đầu ra là các mức logic có quan hệ với các đầu vào thông qua chương trình
bên trong. Thiết bị PLC có ứng dụng rộng rãi và dần không thể thiếu được trong các
dây chuyền sản xuất hiện đại. Chức năng điều khiển của PLC rất đa dạng và có thể
thay thế cho một mảng rơle, hơn thế nữa mở rộng PLC giống như một máy tính nó
có thể lập trình được. Chương trình của PLC thay đổi đơn giản bằng một máy lập
trình cầm tay hay một máy tính cá nhân có phần mềm trợ giúp.
2.1.2 Đặc điểm của PLC
Bộ điều khiển lập trình(PLC) là ý tưởng của một nhóm kỹ sư hãng General
Motors vào năm 1986, và họ đã đề ra các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng những yêu
cầu điều khiển trong công nghiệp:
Dễ dàng lập trình và thay đổi chương trình điều khiển, sử dụng thích hợp
trong nhà máy.
Cấu trúc dạng modul để dễ dàng bảo trì và sửa chữa.
Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thước nhỏ hơn mạch rơ-le chức năng
tương đương.
Giá thành cạnh tranh.
Các kết quả nghiên cứu đã đưa ra thêm một số yêu cầu cần phải có trong
chức năng của PLC: tập lệnh từ các lệnh logic đơn giản được hỗ trợ thêm về các
lệnh tác vụ định thì, tác vụ đếm; sau đó là các lệnh xử lý toán học, xử lý bảng dữ
liệu, xử lý xung tốc độ cao, tính toán số liệu số thực 32 bit, xử lý thời gian thực, đọc
mã vạch, song song đó sự phát triển về phần cứng cũng đạt được nhiều kết quả:
bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ ra nhiều hơn, nhiều modul chuyên dùng hơn.
Vào năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào ra ở xa bằng kỹ thuật
truyền thông khoảng 200 mét.
8
Hình 2.1 Sơ đồ khối bên trong PLC
Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ở ngõ vào, được
đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và kích
ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng. Với các mạch giao tiếp ở

khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác
động có công suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở ngõ vào, mà
không cần các mạch giao tiếp hay rơ-le trung gian. Tuy nhiên, cần phải dùng mạch
điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn.
Về phần cứng PLC tương tự như máy tính truyền thông và có nhiều ưu điểm
thích hợp cho điều khiển trong công nghiệp:
• Khả năng kháng nhiễu tốt.
• Cấu trúc dạng modul cho phép dễ thay thế, tăng khả năng (nối thêm modul
mở rộng vào/ra ) và thêm chức năng (nối thêm modul chuyên dùng).
• Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được chuẩn
hóa.
• Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng – ladder, intrustion va function chart –dễ
hiểu và dễ sử dụng.
• Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng.
9
Bảng 2.1 Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống điều khiển:
Chỉ tiêu so sánh Rơ- le Mạch số Máy tính PLC
Giá thành từng chức
năng
Khá thấp Thấp Cao Thấp
Kích thước vật lý Lớn Rất gọn Khá gọn Rất gọn
Tốc độ điều khiển Chậm Rất chậm Khá nhanh Nhanh
Khả năng chống
nhiễu
Xuất sắc Tốt Khá tốt Tốt
Lắp đặt Mất thời
gian thiết kế
và lắp đặt
Mất thời
gian thiết

kế
Mất nhiều thời
gian lập trình
Lập trình và
lắp đặt đơn
giản
Khả năng điều khiển
tác vụ phức tạp
Không Có Có Có
Dễ thay đổi điều
khiển
Rất khó Khó Khá đơn giản Rất đơn giản
Công tác bảo trì Kém- có rất
nhiều công
tắc
Kém- nếu
IC được
hàn
Kém- có rất
nhiều mạch điện
tử chuyên dùng
Tốt- các modul
được tiêu
chuẩn hóa
Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng nhiều trong việc điều khiển
trong các máy móc công nghiệp và trong điều khiển quá trình (process-control).
2.1.3 Cấu trúc phần cứng của PLC
PLC gồm ba khối chức năng cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ và khối vào/ra. Trạng
thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm, PLC thực hiện các
lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái ngõ ra

được cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệm. Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm
được dùng để đóng/mở các 'tiếp điểm' kích hoạt các thiết bị tương ứng. Như vậy, sự
hoạt động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình
trong bộ nhớ. Chương trình được nạp vào PLC thông qua thiết bị lập trình chuyên
dùng.
10
Hình 2.2 sơ đồ khối cấu trúc bên trong PLC
2.1.3.1 Bộ xử lý trung tâm
Bộ xử lý trung tâm (CPU-Central Processing Unit) điều khiển và quản lý tất
cả hoạt động bên trong PLC. Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối
vào/ra được thực hiện thông qua hệ thống bus dưới sự điều khiển của CPU. Một
mạch dao động thạch anh cung cấp xung clock tần số chuẩn cho CPU, thường là 1
hay 8MHz, tùy thuộc vào bộ xử lý sử dụng. Tần số xung clock xác định tốc độ hoạt
động của PLC và được dùng để thực hiện sự đồng bộ cho tất cả phần tử trong hệ
thống.
2.1.3.2 Bộ nhớ
Tất cả PLC đều có các loại bộ nhớ sau:
 ROM(Read only Memory)
 RAM( Random Access Memory)
 EEPROM ( Electronic Erasable Programmable
Read only Memory)
11
Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo bộ nhớ nên hầu như các PLC đều dùng
bộ nhớ EEPROM. Trường hợp ứng dụng cần bộ nhớ lớn hơn có thể chọn lựa giữa
bộ nhớ RAM ca nguồn pin nuôi và bộ nhớ EEPROM. Ngoài ra, PLC cần thêm bộ
nhớ RAM cho các chức năng khác như: bộ đệm để lưu trạng thái của các ngõ vào
và ngõ ra, bộ nhớ tạm cho tác vụ định thì, tác vụ đếm, truy xuất cờ.
Dung lượng bộ nhớ: Đối với PLC loại nhỏ thương bộ nhớ có dung lượng cố
định, thường là 2k. Dung lượng này là đủ đáp ứng cho khoảng 80% hoạt động điều
khiển trong công nghiệp. Do giá thành bộ nhớ liên tục giảm, các nhà sản xuất PLC

trang bị bộ nhớ ngày càng lớn hơn cho các sản phẩm của họ.
2.1.3.3 Khối vào/ ra
Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp là 5VDC và
15VDC (điện áp cho TTL và CMOS), trong khi tín hiệu điều khiển bên ngoài có thể
lớn hơn nhiều thường là 24VDC đến 240VDC với dòng lớn.
Khối vào ra có vai trò là mạch giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC với
các mạch công suất bên ngoài kích hoạt các cơ cấu tác động: nó thực hiên sự
chuyển đổi các mức điện áp tín hiệu và cách ly. Tuy nhiên, khối vào ra cho phép
PLC kết nối trực tiếp với các cơ cấu tác động có công suất nhỏ, cỡ 2A trở xuống,
không cần các mạch công suất trung gian hay rơ-le trung gian.
Có thể lựa chọn thông số cho các ngõ vào/ ra thích hợp với yêu cầu điều
khiển cụ thể, ví dụ:
+ Ngõ vào: 24V DC, 110VAC hay 220VAC.
+ Ngõ ra: dạng rơ-le, transistor hay triac.
Tất cả các ngõ vào/ ra đều được cách ly với các tín hiệu điều khiển bên ngoài
bằng mạch cách ly quang (opto-isolator) trên các khối vào ra.
Hình 2.3 Mạch cách ly quang
12
Mạch này cho phép các tín hiệu nhỏ đi qua và ghim các các tín hiệu điện áp
cao xuống mức tín hiệu chuẩn. Mạch này có tác dụng chống nhiễu khi chuyển công
tắc và bảo vệ quá áp từ nguồn cấp điện, thường lên đến 1.500V.
Các mô-đun vào/ ra được thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối các cơ cấu
chấp hành và cảm biến vào PLC. Tất cả ngõ vào/ ra của PLC đều được thiết kế có
các đầu nối đinh ốc cho phép nhanh chóng gỡ bỏ và thay thế các modul bị hỏng.
Tại mỗi đầu nối vào/ ra đều có đánh số địa chỉ được dùng để nhận dạng duy
nhất ngõ vào/ ra cụ thể trong khi lập trình hay thực hiện chức năng giám sát trạng
thái chung. Trạng thái của từng ngõ vào/ ra được thể hiện bằng LED chỉ báo ngay
trên PLC, có tác dụng kiểm tra tình trạng hoạt động của các cảm biến và các cơ cấu
tác động nối kết PLC tiện lợi hơn.
2.2 Cơ bản về lập trình PLC

2.2.1 Đại số Boole
Bảng 2.2 Bảng các cổng và phép toán đại số Boole
13
Định lý đại số Boole
Giao hoán : A.B = B.A
A+B = B+A
Kết hợp :
A.B.C = (A.B).C = A.(B.C)
A+B+C = (A+B)+C = A+(B+C)
Phân phối :
A.(B+C) = A.B+B.C
(A+B).(C+D) = A.C+A.D+B.C+B.D
Định lý De Morgan :
Một số đẳng thức hữu dụng :
2.2.2 Các hệ mạch logic
- Các phép toán và định lý của đại số Boole giúp cho thao tác các biểu thức
logic. Trong kỹ thuật thực tế là nối các cổng logic của các mạch logic lại với nhau
(theo kết cấu đã tối giản nhất nếu có).
-Để thực hiện một bài toán điều khiển phức tạp, số mạch logic sẽ phụ thuộc
vào số lượng đầu vào và cách giải quyết bằng loại mạch logic nào, sử dụng các
phép toán hay định lý nào. Đây là một bài toán tối ưu nhiều khi có không chỉ có một
lời giải.
14
-Tùy theo loại mạch logic mà việc giải các bài toán có những phương pháp
khác nhau. Về cơ bản mạch logic được chia làm hai loại:
+Mạch logic trình tự
+Mạch logic tổ hợp
Mạch trình tự hay còn gọi là mạch dãy (sequential circuits) là mạch trong đó
trạng thái của tín hiệu ra không những phụ thuộc vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộc
vào trình tự tác động của tín hiệu vào, có nghĩa là có nhớ trạng thái.

Hình 2.4 Mạch logic trình tự
Như vậy, về mặt thiết bị thì ở mạch trình tự không những chỉ có các phần tử
đóng, mở mà còn có cả các phần tử nhớ.
Mạch logic tổ hợp là mạch mà đầu ra tại bất kỳ thời điểm nào chỉ phụ thuộc
tổ hợp các trạng thái đầu vào ở thời điểm đó.
Hình 2.5 Mạch logic tổ hợp
Như vậy, mạch không có phần tử nhớ. Theo quan điểm điều khiển thì hệ
thống mạch tổ hợp là hệ thống hở (hệ không có hồi tiếp), nghĩa là trạng thái đóng
mở của các phần tử trong mạch hoàn toàn không bị ảnh hưởng của trạng thái tín
hiệu đầu ra.
15
2.2.3 Sơ đồ Grafcet
Sơ đồ Grafcet mô tả thành chuỗi các giai đoạn trong chu trình sản xuất. Sơ
đồ Grafcet cho một quá trình sản xuất là một mô hình khép kín từ trạng thái đầu đến
trạng thái cuối và từ trạng thái cuối về trạng thái đầu.
Hình 2.6 Sơ đồ Grafcet
Sơ đồ Grafcet đã được tiêu chuẩn hóa và được công nhận là một ngôn ngữ
thích hợp cho việc mô tả hoạt động dãy của quá trình tự động hóa trong sản xuất.
2.2.3.1 Một số ký hiệu trong Grafcet
Một trạng thái (giai đoạn) được biểu diễn bằng một hình chữ nhật ghi ký
hiệu thứ tự của trạng thái. Gắn liền với biểu tượng trạng thái là một hình chữ nhật
bên cạnh mô tả hoạt động của trạng thái đó. Một trạng thái có thể tương ứng với
một hoặc nhiều hành động của quá trình sản xuất.
Trạng thái khởi động được thể hiện bằng 2 hình ô vuông lồng vào nhau,
trạng thái khởi động thường có số thứ tự là 1.
Hình 2.7 Biểu diễn một số trạng thái trong Grafcet
16
2.2.3.2 Chuyển tiếp trạng thái trong Grafcet:
Việc chuyển tiếp từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ có thể thực hiện
khi các điều kiện chuyển tiếp được thỏa mãn (hình 2.8).

Chẳng hạn việc chuyển tiếp giữa các trạng thái 3 và 4 được thực hiện khi tác
động lên biến b.
Chuyển tiếp giữa trạng thái 5 và 6 được thực hiện ở sườn tăng của biến c.
Chuyển tiếp giữa trạng thái 7 và 8 được thực hiện ở sườn giảm của biến d.
Chuyển tiếp giữa trạng thái 9 và 10 sẽ xảy ra sau 2s kể từ có tác động cuối
cùng của trạng thái 9 được thực hiện.
Hình 2.8 Chuyển tiếp trạng thái trong Grafcet
2.2.3.3 Phân nhánh trong Grafcet
Có hai loại phân nhánh là rẽ nhánh và song song.
Sơ đồ rẽ nhánh:
Hình 2.9 Sơ đồ rẽ nhánh
Ở hình 2.9 a, giả sử trạng thái 1 đang hoạt động. Nếu trạng thái 1 thỏa mãn
điều kiện chuyển tiếp t12 thì trạng thái 2 hoạt động, hoặc nếu trạng thái 1 thỏa mãn
điều kiện chuyển tiếp t13 thì trạng thái 3 hoạt động.
17