nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển và máy tính trong điều khiển và giám sát nhiệt độ sấy

mở đầu
1. Đặt vấn đề:
Trong những năm gần đây, thực hiện chính sách đổi mới của đảng, nên
kinh tế đất nớc có nhiều chuyển biến quan trọng, nghành nông nghiệp đã có
những bớc tăng trởng khá nhanh, đặc biệt là sản lợng của các loại nông sản
nh: lúa, ngô, đỗ Chính vì vậy bảo quản và chế biến cần phải đ ợc đặc biệt
quan tâm nhằm hạn chế quá trình hao hụt về chất lợng sản phẩm trong bảo
quản, nâng cao chất lợng sản phẩm.
Những yêu cầu này là mục tiêu lớn để chúng ta hớng tới một nền nông
nghiệp tiên tiến có sự quản lý trên quy mô lớn. Mặt khác khối lợng sản phẩm
làm ra trong một thời vụ là rất lớn và không thể tiêu thụ ngay tại thời điểm đó,
vì vậy công việc bảo quản sau thu hoạch đóng một vai trò hết sức quan trọng.
Đây là vấn đề bức xúc đợc nhiều ngời đầu t quan tâm nghiên cứu nhằm tìm ra
một biện pháp bảo quản tốt nhất, giảm thiểu những mất mát sau thu hoạch cho
ngời nông dân, đồng thời đảm bảo chất lợng cho sản phẩm phục vụ chế biến
sau này. Với đặc điểm địa lí nằm trên vùng nhiệt đới nóng ẩm, ma nhiều, có
khi vào mùa thu hoạc ma kéo dài hàng tuần với độ ẩm không khí nên tới 90-
100% nên không thể áp dụng các phơng pháp bảo quản truyền thống nh phơi
nắng, hong gió. Vì thế sấy là một biện pháp bảo quản hiệu quả mà còn làm
tăng chất lợng sản phẩm. Đặc biệt kỹ thuật sấy cò đợc áp dụng để chế biến rất
nhiều sản phẩm quý của việt nam nh mít, vải, nhã, chuối
Công nghệ sấy có đạt đợc hiệu quả hay không phụ thuộc dất lớn vào quy trình,
thời gian và nhiệt độ sấy. Sản phẩm nông nghiệp thì rất đa dạng, mỗi loại lại
có quy trình riêng. nhng một hệ thống sấy tốt lại là hệ thống có khả năng sấy
đợc nhiều lại nông sản và đáp ứng các quy trình thích hợp cho từng loại sản
phẩm chính vì thế chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:


2. Mục đích của đề tài

-1-

- Nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy nông sản
- Nghiên cứu cấu trúc và lập trình cho vi điều khiển, ứng dụng vi điều
khiển trong hệ thống sấy nông sản.
- Nghiên cứu hoạt động truyền nhận dữ liệu nối tiếp và sây dựng giao diện
điều khiển giám sát nhiệt độ của hệ thống sấy nông sản trên máy tính
3. Nội dung đề tài
- Tổng quan về sấy nông sản.
- Tổng quan về các họ vi điều khiển và lập trình ứng dụng điều khiển hệ
thống sấy.
- Tổng quan máy tính về truyền nhận dữ liệu nối tiếp. Thiết kết giao diện điều
khiển và giam sát nhiệt độ trên máy tính.
4. Phơng pháp nghiên cứu
Để thực hiện đợc nội dung đề tài nghiên cứu, chúng tôi tiến hành phơng
pháp nghiên cứu sau:
* Các kết quả nghiên cứu kế thừa:
- Kế thừa các công trình nghiên cứu của thế hệ trớc về cơ sở lý thuyết của
các phần mềm lập trình. Nh Assembly, CodevisionAVR, Orcad, Visual Basic,
phần mềm mô phỏng Matlab 7.0, ISIS 6 Professional.
- Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn.
* Định hớng nghiên cứu.
- Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính.
- Thay đổi phơng pháp lập trình để tìm ra phơng pháp đơn giản, dễ sử
dụng và hiệu quả kinh tế nhất.
- Xây dựng chơng trình điều khiển.
* Phơng pháp mô phỏng kiểm chứng:
- Chạy thử mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi của mô hình và lỗi
của chơng trình điều khiển, rồi từ đó hoàn thiện hệ thống.

-2-
Nội dung

!
Tổng quan chung về sấy nông sản

1.1. công nghệ sấy
Sấy là quá trình dùng nhiệt năng tách hơi nớc ra khỏi vật liệu. Quá trình
này có thể tiến hành làm bay hơi nớc tự nhiên bằng năng lợng mặt trời hay
năng lợng gió (còn gọi là quá trình phơi sấy tự nhiên) dùng phơng pháp này
thì đỡ tốn nhiệt năng nhng không chủ động và không thể điều khiển đợc nhiệt
năng theo yêu cầu kỹ thuật, năng suất thấp. Vì vậy trong kỹ thuật bảo quản và
chế biến nông sản mới ngời ta thờng áp dụng phơng pháp sấy nhân tạo, tùy
theo phơng pháp truyền nhiệt, trong kỹ thuật sấy cũng chia ra các kỹ thuật nh:
- sấy đối lu: là phơng pháp sấy cho tiếp xúc chực tiếp vật liệu sấy với
khí nóng hay khói lò.
- Sấy tiếp xúc: là phơng pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc chực
tiếp với vật liệu sấy mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua
một vách ngăn.
- Sấy bằng tia hồng ngoại: là phơng pháp sấy dùng năng lợng của tia
hồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vạt liệu sấy.
- Sấy bằng dòng điện cao tần: là phơng pháp xấy dùng dòng điện cao
tần để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu sấy.
- Sấy thăng hoa: là phơng pháp sấy trong môi trờng có độ chân không
rất cao, nhiệt độ rất thấp nên ẩp tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ
trạng thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng.
Ba phơng pháp sấy cuối ít đợc dùng trong công nghiệp nên gọi chung là phơng
pháp sấy đặc biệt.
Quá trình sấy là một quá trình có sự tham gia của pha rắn đồng thời với
quá trình nhiệt. đây là qúa trình nối tiếp, vận tốc của toàn bộ quá trình đợc quy
định bởi giai đoạn nào chậm nhất,

-3-

Ngoài ra tuỳ theo phơng pháp sấy mà nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy hay cản trở
quá trình di truyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt vật liệu sấy. Trong
quá trình sấy thì môi trờng trong không khí ẩm xung quanh có ảnh hởng rất
lớn và trực tiếp đến vận tốc của quá trình sấy. Bởi vậy khi nghiên cứu tính toán
hệ thống sấy cần quan tâm tới các thông số sau:
- Độ ẩm tuyệt đối: Là tỷ số giữa lợng hơi nớc chứa trong hạt chia cho
khối lợng phần khô của hạt theo công thức:
100(%)
k
G
n
G
0
W
=
Trong đó: G
n
- Lợng nớc chứa trong vật (kg) chứa trong G
k
(kg) vật
khô tuyệt đối.
- Độ ẩm tơng đối: Là tỷ số khối lợng nớc chứa trong vật chia cho khối
lợng của vật:
100(%)
k
G
n
G
n
G

G
n
G
W
+
==
Trong đó: G = G
k
+ G
n
Khối lợng của vật (kg)

100(%)
100
0
W
0
W
W
+
=
- Độ chứa ẩm: Là khối lợng nớc tính bằng kg chứa trong 1kg vật khô
tuyệt đối. Độ chứa ẩm u đợc xác định theo công thức:

(kg/kg)
k
G
n
G
u

=
Nh vậy: W
0
= 100u(%).
Một đặc trng cơ bản nữa của nông sản dạng hạt là tính chất nhiệt vật lý
của nó. Tính chất này ảnh hởng trực tiếp lên quá trình sấy và tiêu hao nhiệt l-
ợng trong quá trình sấy. Tính chất nhiệt vật lý đợc biểu hiện thông qua giá trị
nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt. Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm đợc xác
định theo công thức:
n
G
k
G
n
G
n
CG
k
C
C
+
+
=
(J/Kg.
0
C)

-4-

100

W
).
k
C
n
(C
k
CC
+=
Trong đó: C
k
, C
n
- nhiệt dung riêng của vật khô và nớc (J/Kg.
0
C)
G
k
, G
n
- khối lợng của vật khô và khối lợng nớc.
1.2. thiết bị sấy
Trên thực tế có rất nhiều thiết bị sấy hoạt động theo các nguyên tắc
tách ẩm khác nhau, nhng trên thực tế sản suất thì phơng pháp sấy đối lu đã đ-
ợc áp dụng có hiệu quả nhất cho các máy sấy nông sản. chính vì thế chúng tôi
tiến hành nghiên cứu các thiết bị sấy theo phơng pháp sấy đối lu.
Sơ đồ nguyên lý quá trình sấy đối lu:
t
0
,d

0
,
0
t
1
,d
1
,
1
t
2
,d
2
,
2

Hình 1: Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối lu
Trong đó: t
x
,d
x
,
x
lần lợt là nhiệt độ, lợng ẩm, thuỷ phần của dòng khí.
Phơng pháp sấy đối lu đợc phân thành hai nhóm phụ thuộc vào trạng
thái của hạt ẩm trong quá trình sấy. Nếu khối hạt sấy bất động còn quá trình
sấy đợc hình thành do dòng khí nóng chuyển động luồn lách giữa lớp hạt thì
quá trình này đợc gọi là sấy tĩnh. Ngợc lại, trờng hợp hạt sấy chuyển động ng-
ợc chiều với dòng khí sấy thì quá trình sấy đợc gọi là sấy động.
- Thiết bị sấy tĩnh thờng đợc thiết kế theo hai dạng là dạng hầm và

dạng cột:

-5-
"#$
%&
'()

'(
*+,
"#
Hình 2: Mô hình thiết bị sấy kiểu hầm
Hình 3: Mô hình thiết bị sấy kiểu cột
Trong những thiết bị sấy này, tác nhân sấy đi từ dới lên trên xuyên qua
lớp liệu. Quá trình luồn lách qua lớp liệu khí nóng sẽ truyền nhiệt lợng của
mình sang cho lớp liệu để đốt nóng nó và cho nớc bốc lên từ liệu sấy. Hơi nớc
bốc ra đợc dòng khí sấy cuốn theo và đa ra ngoài. Rõ ràng lớp liệu dới cùng sẽ
tiếp xúc với dòng khí sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp nên sẽ đợc đốt nóng
nhanh hơn và cũng khô nhanh hơn. Càng lên cao nhiệt độ của khí sấy càng

-6-
giảm còn độ ẩm càng tăng, vì vậy tốc độ đốt nóng của liệu càng chậm, vật liệu
sấy lâu khô hơn. Nh vậy nhợc điểm của những thiết bị sấy này là quá trình sấy
không đồng đều. Tuy nhiên u điểm của thiết bị sấy này là đợc tạo nên từ
những vật liệu đơn giản giá thành rẻ, thích hợp với quy mô hộ nông dân.
- Thiết bị sấy động gồm có thiết bị sấy mẻ và thiết bị sấy tuần hoàn. Sự
khác biệt chính là sự chuyển động đảo trộn của hạt liệu trong quá trình sấy, vì
vậy quá trình sấy là đồng đều. Khi sấy bằng thiết bị sấy mẻ, từng mẻ liệu đợc
sấy khô trớc rồi đến mẻ liệu khác. Sấy tuần hoàn thì ngợc lại, hạt liệu đợc ra
vào tuần hoàn đến khi nào khô đồng đều thì kết thúc quá trình sấy.
Sự khó khăn về mặt bằng sản xuất đã khiến cho những thiết bị sấy nhỏ

quy mô hộ gia đình nhiều khi cũng không thích ứng, cần thiết phải có những
thiết bị sấy quy mô lớn hơn mang kiểu dáng công nghiệp. Dới đây là hình ảnh
một số thiết bị sấy có quy mô công nghiệp ở Việt Nam và trên thế giới:
Hình 4. Thiết bị sấy kiểu băng tải
1 - Phễu đổ nhiên liệu 2 - Buồng sấy 3 - Băng tải
4 - Quạt đẩy 5 - Calorife 6 - Cửa xả nguyên liệu
7 - Cửa thoát khí thải

-7-
Hình 5. Thiết bị sấy kiểu thùng quay
1 - Thùng quay 2 - Lò sấy 3 - Buồng trung gian
4 - Cửa thoát khí thải 5 - Cửa xả nguyên liệu
Hình 6. Thiết bị sấy băng tải
1 - Phiễu chứa nhiên liệu 2 - Băng tải 3 - Buồng đốt
4 - Vít tải 5, 7 - Quạt hút 6 - Tờng chấn

-8-
Hình 7. Thiết bị sấy hạt theo chu kỳ
1 - Phiễu tiếp liệu 2 - Gàu tải 3 - Máy liên hoàn tách tạp chất
4 - Thiết bị sấy 5 - Vít tải 6 - Thiết bị phân phối hạt và xilo
7 - Xilo ủ thóc 8 - Xilo chứa hạt khô 9 - Băng tải
Trong điều kiện sản xuất hiện nay, có nhiều yếu tố trong sản xuất nh:
quy mô sản xuất và hình thức sản xuất đã có nhiều thay đổi, sản phẩm đa dạng
hơn, hội nhập, yêu cầu thị trờng cao hơn đòi hỏi nền sản xuất nông nghiệp
của nớc ta phải có nhiều thay đổi để đáp ứng đợc nó. Lĩnh vực sấy nông sản
cũng không nằm ngoài sự thay đổi đó. Chúng ta cần có những hệ thống sấy
quy mô lớn, năng suất cao, hoạt động một cách tự động đa nông sản tới những
chỉ tiêu đợc yêu cầu Đây cũng chính là nội dung và yêu cầu chúng tôi muốn
hớng tới trong đề tài này.

-9-
-
Tổng hợp hệ thống sấy nông sản
2.1. xây dựng mô hình hệ thống sấy
Xây dựng mô hình toán học cho đối tợng điều khiển là bớc đầu tiên và
cũng là bớc quan trọng nhất để đi đến bài toán điều khiển. Để có thể xây dựng
đợc mô hình hệ thống ngời ta có hai phơng pháp:
- Phơng pháp lý thuyết
- Phơng pháp thực nghiệm.
Trong trờng hợp này, thông tin mô hình hệ thống đã đợc xác lập thông
qua những yêu cầu của đề tài. Mặt khác hệ thống thí nghiệm sấy đã đợc thiết
kế sẵn, vì vậy chúng tôi sử dụng phơng pháp thực nghiệm để khảo sát hệ
thống này, xây dựng mô hình động học cho hệ thống để rồi chọn ra bộ điều
khiển hợp lý cho hệ thống.
Mô hình sấy cho nh sau:
Hình 8: Mô hình sấy thí nghiệm
+ Quạt gió ly tâm + Buồng đốt
Điện áp cấp 220V - 50Hz Dây đốt Ni - Cr
Tốc độ 2850V/p Điện áp cung cấp 220V 50Hz
Công suất 240W Công suất 2KW.

-10-
2.2. Xác định đặc tính động học của hệ thống
Đối tợng ở đây là dòng khí sấy mang nhiệt độ. Khi cấp nguồn điện cho
sợi đốt, nhiệt độ của sợi đốt làm nóng luồng không khí do quạt thổi tới. Nhiệt
độ dòng khí tăng lên, nó tăng lên đến một nhiệt độ nào đó và không tăng nữa,
nó giữ ổn định ở nhiệt độ này. Nh vậy đối tợng của ta ở đây chính là đối tợng
có tính tự cân bằng.
Dạng tổng quát hàm truyền đạt của đối tợng có tính tự cân bằng đợc
mô tả nh sau:

W
dt
(s) = K
dt
W
0
(s) e
-

s
Trong đó:
K
dt
: Hệ số truyền của đối tợng,
: Thời gian trễ.
W
0
(s) =
1s
1n
a
1n
s
1
a
n
s
0
a
1s

1m
b
1m
s
1
b
m
s
0
b
+

++

+
+

++

+
Trong thực tế khâu tĩnh có thể lấy một trong các dạng điển hình sau:
+ Khâu quán tính bậc nhất:
PT
1
: W(s) =
s
1
T1
Kdt
+

Đặc tính đờng quá độ của hàm truyền nh Hình 9a.
+ Khâu quán tính bậc 2:
PT
2
: W(s) =
s)
2
Ts)(1
1
T(1
dt
K
++
Đặc tính đờng quá độ của hàm truyền PT
2
nh Hình 9b.
+ Khâu quán tính bậc n:
PT
n
: W(s) =
n
Ts)(1
dt
K
+

-11-
Đặc tính đờng quá độ của hàm truyền PT
n
nh hình 9b.

a, b,
Hình 9: đặc tính quá độ của hàm truyền
Xác định hằng số thời gian T
1
của PT
1
:
Mỗi một khâu có một phơng pháp xác định hằng số thời gian khác
nhau. Khâu có cấu trúc càng phức tạp thì việc xác định các thông số càng khó
khăn. Trong phạm vi đề tài này chỉ nêu lên cách xác định các thông số cho mô
hình PT
1
. Việc xác định các thông số (K
dt
, T
1
) của PT
1
đợc thực hiện qua các
bớc sau:
+ Kẻ tiếp tuyến với đờng đặc tính tại t = 0.
+ Xác định giao điểm của đờng tiếp tuyến đó với đờng tiệm cận K
dt
=
h(

).
+ Hoành độ của giao điểm vừa xác định chính là tham số T
1

cần tìm.
Nhợc điểm của phơng pháp này là phụ thuộc nhiều vào độ chính xác
việc kẻ tiếp tuyến. Nếu đặt sai tiếp tuyến tại 0 mà h(t) lại có hệ số khuếch đại
K
dt
lớn thì kết quả T
1
sẽ có sai số lớn. Để tránh đợc điều này ta đi từ hàm
truyền W(s), để có H(s) =
s
W(s)
rồi chuyển ngợc sang miền thời gian sẽ đợc:
h(t) = k(1-
T
t
e

).

-12-
h(t)
t
t
h(t
)
Nh vậy tại thời điểm T :
h(T) = k(1-e
-1
)

0.632*K.
Nói cách khác tại đúng thời điểm T hàm h(t) sẽ đạt 63.2% giá trị cực
đại. Vậy để xác định T thì sau khi tìm đợc K ta tính h(T) = 0.632*K rồi từ đó
suy ngợc lại T.
Trong nhiều trờng hợp không thể tạo ra đợc một nhiễu bậc thang 1(t),
ngời ta có thể dùng tín hiệu là A*1(t). Khi đó hệ số khuếch đại của mạch đợc
tính nh sau:
K =
A
)h(

.
Hằng số thời gian đợc xác định từ h(T) = 0.632*h(

).
2.3. Xác định thông số cho bộ điều chỉnh
/.!. 0+12
Với đối tợng có hàm truyền:
.s
.e
1
s.T1
1
K
G(s)


+
=
- Thời gian thuần trễ của đối tợng.

Nếu dùng bộ điều chỉnh PI ta có:
i
s.T
i
s.T1
c
K(s)
c
G
+
=
Xét sơ đồ sau:

-13-
i
i
c
Ts
Ts
K
.
.1
+
1
.
1
.1 Ts
e
K
s

+


x e u
y
Thông thờng, thông số tối u đợc chọn là T
i
=T
1
và hệ hở có hàm truyền:
.s
e
1
s.T
K
(s)G(s)
c
GW(s)


==
với K=K
0
.K
1
Môđun và pha nh đợc xác định nh ở Hình 12:
W(j)=
1
.T
K

2
.




=
Nếu độ dự trữ ổn định về biên độ đ-
ợc chọn là 0,5 tơng ứng với góc dịch pha:
2
.




=
Từ đó: W(j

) =


1
T
.
2
K
Với độ dự trữ ổn định trên ta chọn K sao cho:


1

T
.
4
1
.K
c
KK
=
.


-14-
Hình 12: Môđun và pha hệ hở
/ 34567#*45
Với hệ thống có hàm truyền của đối tợng nh sau:
2.s
.e
135.s
0,05
(s)
dt
W

+
=
.
Ta chọn bộ điều chỉnh PI với các thông số sau:
T
i
=T

1
=35 (s).
274,4.
c
K
2
35
.
4
1
K
c
KK
=

Vì hệ thống cũng không cần có sự tác động quá nhanh nên ta chọn:
K
c
= 270.
Nh vậy bộ điều chỉnh PI đợc chọn nh sau:
35.s
35.s1
.(s)
c
W
+
=
270
.
Để thực hiện hàm này trong vi điều khiển ta phải tiến hành chuyển nó

về phơng trình sai phân.
Chọn thời gian trích mẫu là 1 giây, tiến hành rời rạc hoá theo phơng
pháp số Tustin ta có hàm truyền theo z nh sau (thay
1z
1z
.
T
2
s
+

=
, với T là thời
gian trích mẫu):
1z
266,14273,85.z
(z)
c
W


=
hay:
1z
266,14273,85.z
U(z)
Y(z)


=

Y(z))266,14.U(z(z)273,85.z.UY(z).z
)266,14.U(z(z)273,85.z.UY(z)Y(z).z
+=
=
(1)
Với Y(z) là tín hiệu ra rời rạc,
U(z) là tín hiệu vào rời rạc.
Theo tính chất dịch dịch hàm gốc: z
n
.Y(z)=Y(k+n) (2)

-15-
Thay (2) vào (1) ta có:
Y(k))266,14.U(k1)273,85.U(k1)Y(k
++=+
.
Sau khi xác định đợc bộ điều khiển và thông số của nó ta tiến hành
khảo sát chúng.
Kết quả khảo sát đợc cho trong Hình 13:
Hình 13: Kết quả khảo sát hệ thống khi có bộ điều chỉnh
Với kết quả nh trên, khi có bộ điều chỉnh thời gian quá độ là 16(s).
Trong khi nếu không có bộ điều chỉnh thời gian để cho nó ổn định mất
khoảng 200(s). Độ sai lệch tĩnh khi có bộ điều chỉnh bằng 0. Bộ điều chỉnh
này đã đáp ứng đợc yêu cầu bài toán đề ra, vì vậy chúng tôi chọn bộ điều
chỉnh này để diều khiển hệ thống sấy.

-16-
/
Giới thiệu chung về vi điều khiển
3.1. Tổng quan chung về vi điều khiển

/.!.!.3
Bộ vi điều khiển (Microcontroller) là một mạch tích hợp trên một chip,
có thể lập trình đợc với hệ thống tập lệnh để thực hiện một yêu cầu nào đó. Bộ
vi điều khiển đợc ra đời sau Bộ vi xử lý. Về thực chất thì Bộ vi điều khiển là
Bộ vi xử lý, nhng có thêm các mạch điện hỗ trợ, các thành phần I/O ngoại vi
và bộ nhớ ( bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu) đợc tích hợp cùng nhau
trên một bản mạch. Bộ vi điều khiển đầu tiên ra đời năm 1971, là bộ vi điều
khiển 4 bít TMS1000 của Công ty Texas Instruments. Sau khi dòng sản phẩm
này ra đời, nó đã đợc ứng dụng vào rất nhều lĩnh vực: sản xuất máy tính bỏ
túi, điều khiển lò vi sóng, sử dụng cho các bộ định thời công nghiệp.
Năm 1976, Công ty Intelligen Electronics (INTEL) cho ra đời thế hệ
đầu tiên của vi điều khiển 8 bít với tên gọi 8084. Trong bộ vi điều khiển này,
ngoài bộ vi xử lý trung tâm ngời ta tích hợp thêm các bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ
chơng trình, các cổng vào ra số, các bộ định thời Đến năm 1980, thế hệ thứ
hai của bộ vi điều khiển ra đời, đó là vi điều khiển 8051. Hiện nay vi điều
khiển 8051 đợc sản xuất và sử dụng rộng rãi. Bên cạnh đó các công ty sản
xuất cũng phát triển cho mình những bộ vi điều khiển có tính năng đặc biệt
làm cho thị trờng vi điều khiển ngày càng phong phú và đa dạng.
Một số họ vi điều khiển thông dụng ngoài họ 8051 hiện nay:
+ Họ 68HC của Motorola,
+ Họ Z8 của Zilog,
+ Họ PIC của Microchip,
+ Họ H8 của Hitachi,
+ Họ AVR của Atmel,
+ Họ CY(PSOC) của Cypress Microsystem.

-17-
/.! 389:;!
Họ vi điều khiển MCS-51 đợc công bố và đa ra với sản phẩm chíp
8051 của intel đây là một bớc tiến đáng kể trong lịch sử phát triển của các vi

điều khiển. Chíp 8051 đã trở nên phổ biến và đa dạng hơn sau khi Intel cho
phép các hãng sản xuất khác sản xuất các sản phẩm chíp biến thể tơng tự nh
8051 nhng phải tuân thủ một điều khiện là phải dữ nguyên mã chơng trình t-
ơng thích với chuẩn MSC-51. từ đó suất hiện nhiều phiên bản khác của 8051
và đến nay họ vi điều khiển 8 bít đã có tới trên 250 thành viên do các công ty
hàng đầu thế giới chế tạo và sản xuất nh Intel, AMD, Simens, Philip, Oki
Với đặc điểm thống nhất về mã trơng trình theo chuẩn MSC-51 nên tất
cả các vi điều khiển thuộc họ này đều có cấu trúc khá chung và tiêu biểu là
chíp 8051 của Intel với những đặc trng tóm tắt nh sau:
* 4 KB Rom
*128 byte Ram
*4 cổng xuất/ nhập ( mỗi cổng 8 bít)
*2 bộ định thời
* Mạch giao tiếp nối tiếp
* Không gian nhớ chơng trình ngoài 64K
* Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64K
* Bộ xử lý bít ( 210 vị trí nhớ đợc định địa chỉ bít )
Các phiên bản sau thuộc họ MSC-51 do các hãng khác sản xuất có tổ
chức bộ nhớ EEFROM cho phép xoá và lạp trơng trình nhiều lần, một xố khác
cho phép lạp trơng trình ngay trên boar, và bộ nhớ chơng trình cũng lớn hơn.

-18-

H×nh : s¬ ®å khèi cña chÝp 8051

-19-
- Interrupt control: điều khiển ngắt
- Other Rigister: Các thanh ghi khác
- Timer 0,1,2: Bộ định thời 0,1,2
- CPU: đơn vị xử lý trung tâm

- ALU: Bộ số học
- Osillator: Mạch dao động
- Bus Control: Đờn truyền dữ liệu điều khiển
- I/O Port: Cổng vào/ra
/.!./.<3=>?
Họ vi điều khiển AVR là một sản phẩm của Công ty Atmel mới đợc
tung ra thị trờng trong những năm gần đây. Đối với thị trờng Việt Nam thì
thực sự AVR còn rất mới. Nằm trong số những thế hệ vi điều khiển ra đời sau
cho nên AVR có những tính năng và cấu trúc hơn hẳn những loại vi điều
khiển thế hệ cũ nh 8051 Những đặc tính nổi bật của AVR:
Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ
nhớ nạp - lu trữ (load - store) và 32 thanh ghi chức năng.
Kiến trúc đờng ống lệnh kiểu hai tầng (two stage instruction pipeline)
cho phép tăng tóc độ thực thi lệnh.
Chứa nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chíp, bao gồm cổng I/O số, bộ
biến đổi ADC, bộ nhớ EPROM, bộ định thời, UART, bộ định thời RTC, bộ
định thời WHATDOC, bộ điều chế độ rộng xung PWM


Đến 48 đờng dẫn vào/ra (I/O) lập trình đợc,


Đến 2 bộ truyền nhận UART lập trình đợc,


Một dao diện SPI đồng bộ,


Một dao diện SPI đồng bộ tơng thích I2C,

Đến 3 bộ Timer/Counter 8 bit,


Một bộ Timer/Counter 16 bit với chức năng so sánh và bắt mẫu,


Đến 4 lối ra điều biến độ rộng xung PWM,


Một đồng hồ thời gian thực RTC,

-20-


Một bộ biến đổi ADC 10 bit có đến 8 kênh lối vào,


Một bộ phát hiện trạng thái sụt điện áp nguồn nuôi,


Một bộ so sánh Analog,


Một bộ định thời Watchdog.
Hầu hết các lệnh, chỉ trừ lệnh nhảy và nạp/lu trữ, đều đợc thực hiện
trong một chu kỳ xung nhịp.
Hoạt động với tốc độ đồng hồ từ 6MHz đến 12MHz mà không phải
thông qua bộ chia tần, tốc độ xử lý đến 12MPIS (triệu lệnh trong một giây).
Hình 14: So sánh thời gian thực hiện lệnh ở các bộ vi điều khiển khác nhau

Bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu đợc tích hợp ngay trên chíp:


Bộ nhớ EPROM xoá đợc kiểu Flash,


Bộ nhớ EEPROM hay PROM xoá đợc bằng điện, nhng nội dung
nhớ vẫn giữ nguyên khi mất điện,


Bộ nhớ RAM tĩnh.
Khả năng lập trình ngay trên mạch khi mạch đang đợc cấp điện mà
không cần phải tháo chíp ra.
Đợc đóng trong vỏ với 8 chân đến 64 chân để thích ứng với nhiều ứng
dụng khác nhau.
Có tốc độ xử lý lớn hơn đến 12 lần so với các vi điều khiển CISC
thông thờng.
Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao, chẳng hạn nh C

-21-
Chế tạo trên công nghệ CMOS 0,6àm và tiến tới là công nghệ
0,35àm, nhằm đạt đến tốc độ xung nhịp cao hơn 50% hiện nay, còn dòng điện
tiêu thụ sẽ giảm đi một phần ba.
Điện áp làm việc đợc phép thay đổi trong khoảng rộng, từ 2,7V đến
6,0V.
Kiến trúc đơn giản và hợp lý giúp cho ngời sử dụng dễ dàng làm quen.
Tập lệnh đến 133 lệnh, cho phép dễ dàng lập trình bằng hợp ngữ hoặc
ngôn ngữ C.
/.!.@.AB%3
Từ so sánh tính năng và tốc độ sử lý lệch của các vi điều khiển nh đã

nghiên cứu chúng tôi nhận thấy AVR có những u điểm vợt chội hơn hẳn, và
hơn hết 1 số vi điều khiển AVR còn đợc tích hợp các tính năng mới nh khả
năng chuyển đổi tơng tự sang số, bộ so sánh tơng tự, nhiều timer với nhiều
chức năng linh hoạt, 14 vectơ ngắt, cho phép thay đổi chơng trình ngay trên
boar mạch điều khiển nên rất phù hợp cho việc ứng dụng điều khiển hệ thống
sấy. Chính vì thế chúng tôi quyết định lựa chọn ATMEGA8535 là một thành
viên của họ điều khiển AVR 8 bit với các u điểm sau:
Hoạt động với mức tích cực cao, công suất thấp.
Dải điện áp hoạt động từ 2,7V đến 5,5V.
* Đợc xây dựng dựa trên cấu trúc RISC với 130 lệnh, phần lớn lệnh đ-
ợc thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp:
32 thanh ghi đa năng 8 bit.
Khả năng xử lý lên tới 16 MPIS ở tần số đồng hồ 16 MHz.
* Bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu:
8 Kbytes bộ nhớ Flash.
Khả năng ghi xoá đến 10 000 lần.
Lựa chọn mã vùng khởi động, khả năng khoá bit độc lập, cho phép
đọc khi vẫn ghi dữ liệu.
512 Bytes EEPROM có thể ghi xoá đến 100 000 lần.

-22-
512 Bytes RAM có thể khoá chơng trình bằng phần mềm.
* Các chức năng ngoại vi:
Hai bộ định thời / bộ đếm 8 bit với khả năng bắt mẫu và so sánh.
Một bộ định thời / bộ đếm 16 bit với khả năng bắt mẫu và so sánh.
Đồng hồ thời gian thực với bộ dao động riêng.
4 kênh điều rộng xung (PMW).
8 kênh chuyển đổi tơng tự / số (ADC) 10 bit, trong đó:
Hai đờng giao tiếp nối tiếp định hớng byte.
Bộ lập trình truyền nhận nối tiếp USART.

Giao tiếp nối tiếp SPI chủ / tớ.
Bộ định thời Watchdoc với bộ dao động riêng trên chíp.
Bộ so sánh Analog trên chíp.
* Các chức năng đặc biệt:
Khởi động lại hệ thống, chơng trình phát hiện mất nguồn.
Bộ dao động, lọc chuẩn RC bên trong.
Ngắt ngoài và ngắt trong.
6 trạng thái ngủ (sleep): rỗi (idle), giảm ồn, giữ nguồn, nguồn thấp,
standby, mở rộng standby.

-23-
H×nh 15: S¬ ®å khèi cña vi ®iÒu khiÓn ATMEGA8535
3.2. CÊu tróc vi ®iÒu khiÓn ATMEGA8535
/ !.8#CD
* Ch©n nguån: + Ch©n 10 cÊp nguån Vcc (+5V)
+ Ch©n 11 nèi ®Êt GND (0V).
* PortA (PA7/ADC7 PA0/ADC0) n»m tõ ch©n 33 ®Õn ch©n 40 lµ
®Çu vµo cña bé chuyÓn ®æi A/D.
'C/E'CFDG=

-24-
Nếu bộ chuyển đổi A/D không đợc sử dụng thì PortA đóng vai trò nh
một cổng I/O 8 bit. PortA đợc nối với các điện trở treo bên trong. Khi PortA
đợc sử dụng nh một cổng vào mà bị kéo sụt áp thì nó sẽ đóng vai trò nh một
nguồn dòng nếu các điện trở treo hoạt động.
* PortB (PB0 PB7) nằm từ chân 1 đến chân 8. PortB đóng vai trò nh
cổng I/O hai trạng thái có điện trở treo bên trong.
'C@E'CFDG'
Khi PortB đợc sử dụng nh một cổng vào mà bị kéo sụt áp thì nó sẽ
đóng vai trò nh một nguồn dòng nếu các điện trở treo hoạt động. Ngoài ra nó

còn một số chức năng phục vụ cho những biến đặc biệt khác:
+ SCK - PortB, Bit 7 là chủ khi nó đa ra xung đồng hồ và là tớ khi nó
nhận vào xung đồng hồ của kênh SPI.
+ MISO - PortB, Bit 6 nhận và đa dữ liệu ra của kênh SPI.
+ MOSI - PortB, Bit 5 đa ra dữ liệu và nhận dữ liệu của kênh SPI.
+
SS
- PortB, Bit 4 lựa chọn trạng thái chủ/tớ của kênh SPI.

-25-