NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A VÀO TRONG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HOÁ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG







NGUYỄN VĂN PHƢƠNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A VÀO
TRONG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HOÁ

Chuyên nghành : Kỹ thuật viễn thông
Mã số : 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ









HÀ NỘI - NĂM 2013


Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG


Người hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN NGỌC MINH
(Ghi rõ học hàm, học vị)


Phản biện 1: ……………………………………………………………………
Phản biện 2: ……………………………………………………………………




Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm



Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông




Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN NGỌC MINH
(Ghi rõ học hàm, học vị)


Phản biện 1: ……………………………………………………………………
Phản biện 2: ……………………………………………………………………




Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm



Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông






-1-

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Quá trình làm luận văn tôi
đã đọc, tìm hiểu, tham khảo nhiều báo cáo luận văn của các khóa trước và internet,
tuy nhiên tôi không sao chép hoàn toàn, nguyên mẫu bất cứ một tài liệu, một luận
văn nào. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên


Nguyễn Văn Phƣơng
















-2-

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.

Từ các thông tin trên các diễn đàn Internet và các trung tâm học tập thực
hành, cho thấy nhu cầu học tập và nghiên cứu cũng như tự tìm hiểu về nhiều lĩnh
vực trong ngành điện tử nói chung, tự động hoá nói riêng là rất cao. Trong nhiều
lĩnh vực được quan tâm, có một lĩnh vực về vi điều khiển được quan tâm rất nhiều
hiện nay đó là vi điều khiển PIC. Việc tìm hiểu và ứng dụng hết khả năng của nhiều
loại PIC là cả một quá trình dài lý thú và hữu ích, vì sự thuận tiện, tinh gọn, khả
năng phát triển cũng như sự đa dạng các dịng sản phẩm phù hợp nhiều quy mơ ứng
dụng của nó. Chính điều này em đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA
PIC 16F877A VÀO TRONG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HÓA”. Nhằm giới thiệu
cho mọi người cách sử dụng và các ứng dụng, sự thuận tiện của PIC trong thực tế.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu chung về cấu trúc và thuật toán vi điều khiển PIC16F877A
- Ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A trên thực tế
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: PIC16F877A.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Khảo sát các nghiên cứu, tài liệu liên quan để thu thập thông tin về cơ sở lý
thuyết từ nhiều nguồn (tài liệu, sách giáo trình, Internet… )
- Tổng hợp các kết quả nghiên cứu các bài ví dụ, mô phỏng để thu nhập dữ
liệu.





-3-

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN PIC
1.1 Tổng quan về PIC
PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là

“máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều
khiển đầu tiên của họ. PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho
vi điều khiển CP1600. Vi điềukhiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và
từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC,
AVR, ….
Tuy nhiên tôi chon PIC vì .
- Có đầy đủ các tính năng như các họ vi điều khiển khác .
- Rất dễ mua ở Việt Nam
- Giá thành rẻ .
-4-

1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F877A

Hình 1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F877A


-5-

1.2.1 Một vài thông số về vi điều khiển PIC16F877A
Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài
14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động
tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình
8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung
lượng 256x8 byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O.
Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:
Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit.
Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào
xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep.
Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.

Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung.
Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C.
Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.
Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD,
WR, CS ở bên ngoài.
Các đặc tính Analog 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.
Hai bộ so sánh.
Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:
Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần.
Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần.
Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm.
Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm.
Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming)
thông qua 2 chân.
Watchdog Timer với bộ dao động trong.
Chức năng bảo mật mã chương trình.
Chế độ Sleep.
Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau.
-6-

1.2.2 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A
PORTA
PORTA gồm có 6 chân. Các chân của PortA ta lập trình để có thể thực hiện
được chức năng “hai chiều” xuất dữ liệu từ vi điều khiển ra ngoại vi và nhập dữ
liệu từ ngoại vi vào vi điều khiển.
Ngoài ra, PORTA còn có các chức năng quan trọng sau :
- Ngõ vào Analog của bộ ADC : thực hiện chức năng chuyển từ Analog sang
Digital.
- Ngõ vào điện thế so sánh.
- Ngõ vào xung Clock của Timer0 trong kiến trúc phần cứng: thực hiện các nhiệm

vụ đếm xung thông qua Timer0…
- Ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port)
PORTB
PORTB có 8 chân. Cũng như PORTA, các chân PORTB cũng thực hiện được 2
chức năng input và output. Hai chức năng trên được điều khiển bới thanh ghi
TRISB. Khi muốn chân nào của PORTB là input thì ta set bit tương ứng trong thanh
ghi TRISB, ngược lại muốn chân nào là output thì ta clear bit tương ứng trong
TRISB.
Thanh ghi TRISB còn được tích hợp bộ điện trở kéo lên có thể điều khiển được
bằng chương trình.
PORTC
PORTC có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới sự điều
khiển của thanh ghi TRISC tương tự như hai thanh ghi trên.
Ngoài ra PORTC còn có các chức năng quan trọng sau :
- Ngõ vào xung clock cho Timer1 trong kiến trúc phần cứng
- Bộ PWM thực hiện chức năng điều xung lập trình được tần số, duty cycle: sử
dụng trong điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ vv….
- Tích hợp các bộ giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART
PORTD
-7-

PORTD có 8 chân. Thanh ghi TRISD điều khiển 2 chức năng input và output của
PORTD tương tự như trên. PORTD cũng là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp
song song PSP (Parallel Slave Port).
PORTE
PORTE có 3 chân. Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE. Các chân
của PORTE có ngõ vào analog. Bên cạnh đó PORTE còn là các chân điều khiển của
chuẩn giao tiếp PSP.
1.2.3 Timer 1
Sơ đồ khối của Timer1:

Hình 2.4. Sơ đồ khối của Timer1.
1.2.4 Timer 2
Timer 2 là bộ định thời 8 bit và được hỗ trợ bởi hai bộ chia tần số prescaler va
postscaler. Thanh ghi chứa giá trị đếm của Timer 2 là TMR2. Bit cho phép ngắt
Timer 2 tác động là TMR2ON (T2CON<2>).

-8-


Hình 2.5. Sơ đồ khối Timer2.

Timer2 còn được hỗ trợ bởi thanh ghi PR2. Giá trị đếm trong thanh ghi TMR2 sẽ
tăng từ 00h đến giá trị chứa trong thanh ghi PR2, sau đó được reset về 00h. Khi
reset thanh ghi PR2 được nhận giá trị mặc định FFh.
1.2.5 ADC
ADC (Analog to Digital Converter) là bộ chuyển đổi tín hiệu giữa hai dạng tương
tự và số.PIC16F877A có 8 ngõ vào analog (RA4:RA0 và RE2:RE0). Hiệu điện thế
chuẩn VREF có thể được lựa chọn là VDD, VSS hay hiệu điện thể chuẩn được xác
lập trên hai chân RA2 và RA3.
1.2.5.1 Thiết lập các thông số cho bộ chuyển đổi ADC
Chọn ngõ vào analog, chọn điện áp mẫu (dựa trên các thông số của thanh ghi
ADCON1).
Chọn kênh chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0).
Chọn xung clock cho kênh chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0).
Cho phép bộ chuyển đổi AD hoạt động (thanh ghi ADCON0).
1.2.5.2 Thiết lập các cờ ngắt cho bộ AD
Clear bit ADIF.
-9-

Set bit ADIE.
Set bit PEIE.
Set bit GIE.

Hình 2.6. Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC.

1.3 Các giao thức
1.3.1 Giao thức nối tiếp (USART)
USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) là một trong
hai chuẩn giao tiếp nối tiếp. USART còn được gọi là giao diện giao tiếp nối tiếp
nối tiếp SCI( Serial Communication Interface). Có thể sử dụng giao diện này cho
các giao tiếp với các thiết bị ngọai vi, với các vi điều khiển khác hay với máy tính.
Các dạng của giao diện USART ngọai vi bao gồm:
Bất động bộ( Asynchronous).
Đồng bộ- Master mode.
-10-

Đồng bộ- Slave mode.
Hai pin dùng cho giao diện này là RC6/TX/CK và RC7/RX/DT, trong đó
RC6/TX/CK dùng để truyền xung clock (baud rate) và RC7/RX/DT dùng để
truyền data. Trong trường hợp này ta phải set bit TRISC<7:6> và SPEN
(RCSTA<7>) để cho phép giao diện USART.
1.3.2 Giao tiếp I2C
Ngày nay trong các hệ thống điện tử hiện đại, rất nhiều IC hay thiết bị ngoại vi cần
phải giao tiếp với các IC hay thiết bị khác – giao tiếp với thế giới bên ngoài. Với
mục tiêu đạt được hiệu quả cho phần cứng tốt nhất với mạch điện đơn giản, Phillips
được phát triển một chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây được gọi là I2C. I2C là tên viết
tắt của cụm từ Inter Intergrated Circuit – Bus giao tiếp giữa các IC với nhau.

Hình 1.3.2 BUS I2C và các thiết bị ngoại vi

Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ duy nhất để phân
biệt, nó còn được cấu hình l thiết bị chủ (master) hay tớ (slave). Tại sao lại có sự
phân biệt này? Đó là vì trong một bus I2C thì quyền điều khiển thuộc về thiết bị
chủ (master). Thiết bị chủ nắm vai trị tạo xung đồng hồ cho toàn hệ thống, khi giữa
hai thiết bị chủ/tớ giao tiếp thì thiết bị chủ có nhiệm vụ tạo xung đồng hồ và quản lý
địa chỉ của thiết bị tớ trong suốt quá trình giao tiếp. Thiết bị chủ giữ vai trị chủ
động, còn thiết bị tớ giữ vai trị bị động trong viêc giao tiếp.


-11-


Hình 1.3.3 Truyền nhận dữ liệu giữa chủ/tớ
Chƣơng 2 - VI ĐIỀU KHIỂN TRONG DÂY CHUYỀN TỰ
ĐỘNG HÓA.
2.1 Giới Thiệu dây chuyền.
Dây chuyền tự động hóa được giới thiệu trong bài là dây chuyền sản xuất loa điện
thoại, trước khi đi vào giới thiệu về dây chuyền tôi xin giới thiệu qua về sản phẩm
mà dây chuyền làm ra .
2.1.1 Giới thiệu về loa .
Loa được cấu tạo từ 5 linh kiện cơ bản là Maglet, Plate, Frame, Coil, Daiframe.
Hình 2.1.1. Sơ đồ cấu tạo của loa



-12-

2.1.1.1 Nam châm - Magnet
Hình 2.1.1.1 Magnet
Magnet là thành phần chính để tạo ra từ trường trong loa điện thoại. Nó được làm từ
một loại sắt non, sau khi được nạp từ tính nó sẽ chở thành một khối nam châm.
Chức năng tạo giao động khi dòng điện chạy qua Voice coil.
2.1.1.2 Tấm chắn trên Top – Plate










Hình 2.1.1.2 Tấm chắn trên Top – Plate
-13-


Top-Plate là một tấm sắt được lắp ở trên Magnet, nó cùng với nam châm và
Yoke tạo lên một mạch từ tính trong loa điện thoại.
2.1.1.3 Khung Frame

Hình 2.1.1.3 Khung Frame
Khung – Frame là bộ phận sử dụng để đỡ toàn bộ các thành phần khác của
loa như màng loa, cuộn tiếng, khung từ tính… Và hình dạng của nó sẽ chính là hình
dáng bên ngoài của một chiếc loa.Trên khung có bốn vấu làm nhiệm vụ cố định loa
vào điện thoại, làm cho loa không bị di chuyển.
Ngoài ra sáu lỗ trên Frame để đưa luồng không khí từ trong màng ra, hai
chân tiếp xúc với nguồn tín hiệu đưa vào từ điện thoại và mặt sau (Yoke) của loa
cùng với nam châm tạo thành một khung từ tính.






-14-



2.1.1.3 Cuộn dây – Voice Coi


Hình 2.1.1.3. Cuộn dây voice coil

Voice coil có hai chức năng chính đó là truyền dòng điện (cùng với từ trường
tạo nên lực tác động lên màng) và truyền các rung động cơ học tới màng.

2.1.1.4 Màng – Diaphragm

Hình 2.1.1.4. Màng đai

Diaphragm khi dao động sẽ biến các rung động cơ học thành dao động âm
thanh. Nó giữ cho Voice coil dao động theo phương thẳng đứng. Xương cá của Dia
-15-

giữ cho màng đủ độ cứng, không bị méo khi dao động.Ngoài ra nó còn ngăn cách
giữa hai lớp không khí bên trong và bên ngoài của loa.

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của Loa.

Hình 2.1.2. Mô phỏng nguyên lý hoạt động của loa

Loa động hoạt động dựa trên nguyên tắc một cuộn dây đặt trong một từ
trường mạnh của nam châm. Khi có dòng điện âm tần chạy qua, cuộn dây sẽ dao
động. Do cuộn dây được nối với màng loa nên các dao động này được truyền ra
không khí, tác động vào người nghe.
F（Lực）
I（Dòng điện）


Hƣớng dòng điện
Hướng lực tác động
Qui tắc bàn tay trái

Cuộn dây
tiếng
Mạch từ tính
I（Dòng điện）
H（Từ trường
）
H（Từ
trường）
-16-

Một bộ phận quan trọng gọi là màng rung (hoặc màng loa). Màng rung là nơi
âm thanh được phát ra để đến với tai người nghe. Tuỳ từng loại loa khác nhau mà
nguyên lý làm rung màng rung là khác nhau.
Đa số các loa màng rung được gắn với một cuộn dây, cuộn dây này được
định vị trong khe hẹp có từ trường mạnh được sinh ra giữa hai cực của một nam
châm vĩnh cửu. Khi cho dòng điện tín hiệu đi qua cuộn dây thì cuộn dây xuất hiện
lực từ làm rung nó, sự rung động của cuộn dây sẽ làm chuyển động màng loa.
Khi ta cho dòng điện chạy qua cuộn tiếng, cuộn tiếng sẽ tạo ra một từ trường
và từ trường của cuộn tiếng sẽ bị từ trường của nam châm đẩy làm cho cuộn tiếng
chuyển động, nếu ta đưa dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn tiếng thì cuộn tiếng sẽ
chuyển động quanh vị trí cân bằng với tần số bằng tần số đưa vào.

-17-

2.2 Sơ đồ dây chuyền tự động hóa

Máy quấn Voil Coil
Máy ghép Top
Plate + Magnet
Máy ghép (Top Plate +
Magnet) + Frame
Máy ghép (Top Plate +
Magnet + Frame) +VoilCoil
Máy Hàn
Máy tạo màng đai
Máy kiểm tra màng
đai
Thành phẩm OK
Máy quấn Voil Coil
Máy quấn Voil Coil
Máy quấn Voil Coil
Máy Phủ Thiếc

Máy hàn laze

Máy cắt màng đai
Hình 2.2. Sơ đồ dây chuyền tự động hóa

-18-

Hình 2.2.1 Sơ đồ dây chuyền tự động hóa trên thực tế


-19-



2.2.1 Chức năng của dây chuyền .
Chức năng chính của dây chuyền là Lắp ráp các linh kiện để tạo thành 1 chiếc Loa
hoàn chỉnh. Chức năng của từng máy như sau.

Hình 2.2.1.1. Máy quấn voice coil

- 5 Máy Void Coil có nhiệm vụ quấn các vòng dây lại với nhau tạo thành cuộn
dung. Do thời gian 1 máy làm không đủ sản lượng cấp cho máy ghép lên phải
sử dụng 5 máy Voice Coil.




-20-




Sau khi quấn song voice coil nhờ hệ thống băng Tải chuyển voice coil lên máy
ghép, tại đây máy ghép này sẽ ghép Top Plate với Magnet sau đó ghép cụm này với
Frame và cuối cùng là ghép Void Coil vào trong.

-

Hình 2.2.1.2. Công đoạn ghép Top Plate với magnet

Kế đến toàn bộ được chuyển sang máy Hàn LWF để hàn dây lần 1, tiếp
đó phủ kem thiếc lên bề mặt mối hàn và qua công đoạn hàn Lazer để làm
trắc mối hàn.
-21-


Hình 2.2.1.3 Công đoạn hàn lần 1

Hình 2.2.1.4 Công đoạn hàn lần 2

-22-

- Công đoạn tiếp theo là máy tạo màng đai, khi úp màng đai vào Frame thì
màng đai rất to, chính vì vậy cần phải cho Loa qua công đoạn cuối cùng là
cắt màng đai. Để tạo thành 1 chiếc Loa hoàn chỉnh.


Hình 2.2.1.5. Công đoạn cắt màng đai






-23-

2.3. Vai trò của Pic trong dây chuyền tự động hóa.
2.3.1. Chuyển đổi các tín hiệu điện.
- Trong dây chuyền tự động hóa có rất nhiều loại sensor khác nhau, có loại đầu ra
12 (Vol), có loại đầu ra là 0 (vol ) có loại đầu ra là 5 (Vol ), thậm chí đầu ra sensor
là 1 chuỗi xung dạng 0101001011 …… . Tuy nhiên thì đầu vào bộ điều khiển
chính PLC thì chỉ có 1 dạng điện áp là 0 ( vol) chính vì vậy cần có 1 hệ thống sử lý
các tín hiệu Sensor đưa về sau đó mới đưa về vi mạch chính để sử lý dữ liệu.
Ví dụ: Chuyển đổi tín hiệu sensor đầu ra là 5V thành 0 Vol


Hình 2.3.1. Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu điện

2.3.2 Điều khiển tốc độ động cơ.
Bất cứ dây chuyền nào cũng cần phải có động cơ để tạo momen quay, họ có thể sử
dụng động cơ bước, động cơ secvo, hay động cơ điện 1 chiều …. Sử dụng trong hệ
thống băng tải, máy nghiền, máy gắn chip ….tuy nhiên thì ở mỗi công đoạn thì tốc
độ quay của động cơ đều khác nhau, chính vì vậy họ cần sử dụng vi điều khiển Pic
để điều khiển các lại động cơ này.