Điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng internet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



Phạm Duy Hưng




ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA
QUA MẠNG INTERNET


Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử
Mã số : 60 52 70



LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Quang Vinh




Hà Nội - 2012

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG INTERNET 4
1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống 4
1.2. Nguyên lý làm việc của module điều khiển 5
1.3. Phân tích tính năng phản hồi của hệ thống 5
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ TÌM HIỂU CẢM BIẾN ĐO DÒNG ĐIỆN SỬ
DỤNG HIỆU ỨNG HALL 7
2.1. Lý thuyết về hiệu ứng Hall 7
2.2. Giới thiệu vi mạch Hall cảm biến dòng ACS712 8
2.2.1. Dạng đóng gói và sơ đồ khối 8
2.2.2. Đặc điểm kỹ thuật của cảm biến ACS712 9
2.2.3. Mô tả chi tiết về cảm biến ACS712 10
2.2.4. Các đặc tính vận hành 10
CHƢƠNG 3: VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A 12
3.1. Đặc điểm tổng quát của vi điều khiển PIC16F877A 12
3.2. Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức năng của các chân 14
3.2.1. Sơ đồ khối 14
3.2.2. Sơ đồ chân 15
3.2.3. Bảng mô tả chức năng của chân 16
3.3. Các cổng vào ra 17
3.4. Các module giao tiếp 21
3.4.1. Module UART 21
3.4.2. SPI 23

3.5. Tổ chức bộ nhớ 26
3.5.1. Không gian địa chỉ chƣơng trình 26
3.5.2. Không gian địa chỉ dữ liệu 27
3.5.3. Ngăn xếp phần mềm 28
3.6. Cấu hình dao động của PIC16F877A 29
CHƢƠNG 4: KHỐI GIAO TIẾP INTERNET VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU( ETHERNET
TO UART ) 31
4.1. Đầu nối RJ45 HR911105A 31
4.2. Vi điều khiển PIC18F67J60-I/PT 32
CHƢƠNG 5: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 34


5.1. Phân loại các phƣơng pháp đo dòng điện xoay chiều 34
5.2. Thuật toán đo dòng điện xoay chiều hiệu dụng 35
CHƢƠNG 6: CÁC BƢỚC THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ 39
6.1. Thiết kế chế tạo phần cứng hệ thống 39
6.1.1. Khối nguồn nuôi 40
6.1.2. Module E2U ( Ethernet to Uart ) 41
6.1.3. Khối rơle và cảm biến 41
6.1.4. Khối xử lý dữ liệu và điều khiển công suất PaC (Processing and
Control) 43
6.1.5. Mạch in PCB 44
6.1.6. Đóng gói thiết bị 45
6.2. Thuật toán cho phần mềm điều khiển 48
6.3. Phần mềm giao diện điều khiển trên máy tính PC 49
6.3.1. Giao diện chƣơng trình 49
6.3.2. Giao diện chƣơng trình khi hoạt động 49
CHƢƠNG 7: NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU ĐƢỢC QUA
LUẬN VĂN 54
7.1. Về phần cứng: 54

7.2. Về phần mềm: 54
7.3. Những vấn đề còn tồn tại của đề tài và hƣớng giải quyết. 54
7.4. Hƣớng phát triển của bài luận văn 55




CHỮ VIẾT TẮT

STT
Chữ viết tắt
Thuật ngữ tiếng Anh
Thuật ngữ tiếng Việt
1
DC
Direct Current
Dòng điện một chiều
2
Irms
Root Mean Square
Current
Dòng điện hiệu dụng
3
VDC
Voltage Directly Curent
Điện áp một chiều
4
UART2ETHERNET
UART TO ETHERNET
Chuyển đổi từ UART sang

ETHERNET
5
IC
Integrated Circuit
Mạch tích hợp
6
LSB
Least Significant Bit
Bít trọng số thấp nhất
7
MSB
Most Significant Bit
Bít trọng số cao nhất
8
MCU
Micro-Controller Unit
Vi điều khiển
9
UART
Universal
Ansynchronous
Receiver/Tranceiver
Khối thu phát nối tiếp bất
đồng bộ đa năng
10
PLL
Phase-Locked Loop
Vòng khóa pha

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: So sánh tính năng 3 loại cảm biến dòng 6
Bảng 2-1: Các đặc tính chung của ACS712 11
Bảng 3-1: Chức năng các chân của PIC16F877A 16
Bảng 3-2: Ngoại vi và các thanh ghi cấu hình lối vào tƣơng ứng 20
Bảng 3-3: Ngoại vi và các bít cấu hình lối ra tƣơng ứng 21




DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng Internet 4
Hình 2.1: Hiêu ứng Hall khi chƣa có từ trƣờng 8
Hình 2.2: Nguyên lý hiêu ứng Hall khi có từ trƣờng đặt vào 8
Hình 2.3: Vi mạch ACS712 9
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ACS172 9
Hình 2.5: Đặc tính hàm truyền 11
Hình 3.1: Biểu đồ thể hiện chức năng và hiệu suất của dòng PIC16F877A so với các
dòng vi điều khiển khác của Microchip. 14
Hình 3.2: Sơ đồ khối của PIC16F877A 15
Hình 3.3: Sơ đồ chân của PIC16F877A 16
Hình 3.4: Cấu tạo một cổng vào ra của PIC16F877A 18
Hình 3.5: Bộ hợp kênh lối vào cho các ngoại vi 19
Hình 3.6: Sơ đồ khối của bộ UART 22
Hình 3.7: Sơ đồ khối của bộ SPI 24
Hình 3.8: Tổ chức bộ nhớ chƣơng trình 27
Hình 3.9: Tổ chức bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A 28
Hình 3.10: Cơ chế lệnh gọi ngăn xếp 28

Hình 3.11: Hệ thống tạo dao động cho PIC16F877A 29
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo cơ học của đầu nối RJ45 HR911105A 32
Hình 4.3: sơ đồ khối của khối E2U 33
Hình 5.1: Nguyên tắc đo dòng bằng điện trở Shunt 34
Hình 5.2: Các loại CT trên thị trƣờng 35
Hình 5.3: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến Hall 35
Hình 6.1: Sơ đồ mạch của hệ thống 39
Hình 6.2: Sơ đồ mạch điện khối nguồn nuôi 40
Hình 6.3: Hình Module E2U 41
Hình 6.4: Sơ đồ mạch điện khối rơle và cảm biến 42
Hình 6.5: Bộ lọc thông thấp 42
Hình 6.6: sơ đồ mạch điện của khối khối PaC 44
Hình 6.8: Mạch in nhìn từ trên xuống (top-down). 45
Hình 6.9: Mặt trên bo mạch của thiết bị 45
Hình 6.10: Mặt dƣới bo mạch của thiết bị 46
Hình 6.11: Hình chi tiết vị trí 4 cảm biến ACS712 46
Hình 6.13: Giao diện chƣơng trình 49
Hình 6.14: Giao diện khi mở tải là bóng đèn 25W 50
Hình 6.15: Giao diện khi mở tải là hai bóng đèn 25W và 7W 50
Hình 6.16: Giao diện khi mở tải là 4 bóng đèn 25W 60W, 100W và 7W. 51
Hình 6.17: Giao diện khi mở tải là 4 bóng đèn 25W 60W, 100W và 7W. Nhƣng bóng
thứ 2 không sáng. 51
1


LỜI MỞ ĐẦU

Giới thiệu mô hình tổng quan của đề tài
Ngày nay, Internet phát triển mở ra những khả năng ứng dụng mới, Internet và
các ứng dụng của nó đã và đang thay đổi cách làm việc, cách giải trí và cách sống của

chúng ta. Internet không chỉ cho phép tìm kiếm thông tin, mà còn cho phép truy cập
đến lĩnh vực rộng lớn của số liệu và các dịch vụ đa phƣơng tiện. Nhiều ứng dụng mới
đã đƣợc triển khai và ngƣời sử dụng có thể bắt đầu chạy nhiều ứng dụng âm thanh và
hình ảnh từ Internet, cũng nhƣ thƣởng thức một thế giới mới của các ứng dụng tƣơng
tác ba chiều. Gần đây, vấn đề đặc biệt đƣợc quan tâm là các hệ thống thời gian thực
trên nền mạng Internet. Qua hệ thống thời gian thực này mà con ngƣời có thể điều
khiển chính xác những thiết bị vật lý. Hệ thống thông tin thời gian thực ngày nay đƣợc
ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ: trong ngành công nghiệp sản xuất, kiểm soát
tiến trình trong nhà máy, hay trong các lò phản ứng hạt nhân, trong hệ thống hàng
không, thông qua các hệ thống dẫn đƣờng tích hợp trên máy bay, vệ tinh và gần gũi
nhất với chính cuộc sống con ngƣời là điều khiển thiết bị trong tòa nhà thông minh.
,
. Ngƣời dùng, với một chiếc máy tính ở bất kỳ đâu đƣợc nối mạng Internet, có thể
điều khiển các thiết bị ở trong nhà của mình nhƣ bật nồi cơm điện, bật điều hòa, vận
hành máy giặt, kiểm tra tình trạng an ninh Phƣơng pháp điều khiển này mạng lại
những ƣu điểm nổi bật sau:
- , việc triển khai
các bộ điều khiển sẽ không yêu cầu phải lắp đặt mới đƣờng truyền hay phần
cứng phức tạp.
- Hệ thống cho phép đi

- Khối điều khiển đƣợc thiết kế dựa trên các vi điều khiển nhỏ gọn, rẻ tiển, không
đòi hỏi phải có máy tính PC hay máy chủ server.
- Hệ thống hoạt động 24/24 đảm bảo cho các thiết bị thông minh có thể đƣợc
điều khiển “mọi lúc, mọi nơi”.
Với các ƣu điểm tr
.
2

Từ những lý do kể trên, tôi chọn đề tài luận văn với mục tiêu nghiên cứu thiết kế
lắp ráp một hệ thống “Điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng Internet”. Luận văn
đƣợc bố cục thành 3 phần : Tìm hiểu tổng quan lý thuyết, báo cáo quá trình thiết kế,
lắp đặt và kết quả thử nghiệm, cuối cùng là phần kết luận.
3






PHẦN I: LÝ THUYẾT
4


CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TỪ XA THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG INTERNET
hoạt động, cấu
trúc phần cứng và chƣơng trình phần mềm nhƣ sau.
1.0. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Dƣới đây là hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển
đóng ngắt thiết bị tòa nhà qua mạng Internet.
Internet
Router
Ngƣời dùng
Ngƣời dùng
Ngƣời dùng
Tƣờng lửa
Mạng Ethernet
Căn hộ – Port 1024

HW
Căn hộ – Port 1028
TV
Đèn
Lò vi sóng
Máy giặt
Tủ lạnh
Module điều
khiển
IP: 203.113.130.218
TV
Máy giặt
Tủ lạnh
Module điều
khiển
HW
Căn hộ – Port 1026
TV
Đèn
Lò vi sóng
Máy giặt
Tủ lạnh
Module điều
khiển

Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng Internet
Trong sơ đồ này, các thiết bị trong mỗi căn hộ của tòa nhà nhƣ bóng đèn, máy
giặt, tivi, tủ lạnh, lò vi sóng sẽ đƣợc kết nối đến các đầu vào/ra của bộ điều khiển. Bộ
điều khiển này sau đó đƣợc kết nối tới bộ định tuyến (Router) của tòa nhà thông qua
mạng Ethernet LAN rồi từ đó kết nối với Internet. Mỗi bộ điều khiển trong tòa nhà

5


đƣợc xác định bởi cặp địa chỉ IP-Port của router, do đó các máy tính bất kỳ trên mạng
Internet có thể kết nối chính xác tới mỗi bộ điều khiển này. Ngƣời dùng, với phần
mềm đƣợc cài trên máy tính, khi kết nối với Internet có thể truy cập vào hệ thống và
tƣơng tác điều khiển các thiết bị một cách dễ dàng. Việc điều khiển ở đây là hai chiều,
trong đó, ngƣời dùn
.
1.1. Nguyên lý làm việc của module điều khiển
Mô đun điều khiển từ xa qua mạng Internet đƣợc trình bày trong hình 1.2.
RJ45
HR911105A
Vi điều khiển
PIC18F67J60-I/PT
Vi điều khiển
PIC16F887A
Tầng công suất
Thiết bị cần
điều khiển
Khổi E2U
Khối PaC
Ethernet
Khối phản hồi

Hình 1.2: Sơ đồ chức năng bộ điều khiển qua mạng Internet
Theo sơ đồ, bộ điều khiển bao gồm 2 khối: khối E2U (Ethernet to UART) giao
tiếp với mạng internet và truyền dữ liệu đầu ra theo chuẩn RS232, và khối PaC
(Process and Control) thực hiện việc xử lý dữ liệu rồi xuất tín hiệu điều khiển thiết bị
qua tầng công suất, khối phản hồi sử dụng vi xử lý ACS712.

Hệ thống đƣợc mô tả nhƣ sau:
 Module Ethernet làm nhiệm vụ chuyển các ký tự nhận đƣợc từ Ethenet
(đúng IP và Port) ra cổng UART của module và ngƣợc lại.
 PIC 16F887A sẽ nhận các ký tự từ module Ethernet, phân tích các ký tự
và đƣa ra quyết định đóng mở rơ le tƣơng ứng.
 IC ULN2003 làm nhiệm vụ đệm dòng điều khiển rơ le
 Module phản hồi dùng cảm biến ACS712 làm nhiệm vụ nhận biết dòng
điện đi vào thiết bị, đƣa tín hiệu về hệ thống.
1.2. Phân tích tính năng phản hồi của hệ thống
Hệ thống yêu cầu thiết bị phải có phản hồi trạng thái đầu ra về trung tâm bằng
cách cảm nhận dòng điện tiêu thụ tại lối ra.
Để thực hiện việc việc cảm nhận dòng điện có 3 loại cảm biến thông dụng: biến
dòng, shunt dòng và cảm biến Hall tích hợp.
6




Hình 1.3: Các cảm biến dòng thông dụng
Loại cảm
biến
Nguyên lý
Kích thƣớc
Độ phức tạp mạch
khuyếch đại/ xử lý
Cách
ly
Giá thành
Biến dòng
Cảm ứng từ

Lớn
Trung bình
Có
Trung bình
Shunt dòng
ĐL ôm
Nhỏ
Phức tạp
Không
Thấp
Cảm biến
Hall tích
hợp
Hiệu ứng
Hall
Rất nhỏ
Đơn giản
Có
Trung bình
Bảng 1-1: So sánh tính năng 3 loại cảm biến dòng
Nhận xét: Trong khuôn khổ luận văn này này cảm biến Hall tích hợp là phù hợp
nhất xét theo các tiêu chí. Cụ thể trong đề tài này là IC ACS712.

7


CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ TÌM HIỂU CẢM BIẾN ĐO DÒNG
ĐIỆN SỬ DỤNG HIỆU ỨNG HALL
2.0. Lý thuyết về hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý đƣợc thực hiện khi áp một từ trƣờng vuông

góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung
(thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó ngƣời ta nhận đƣợc hiệu điện thế
(hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall
và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trƣng cho vật liệu làm nên
thanh Hall. Hiệu ứng này đƣợc khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879.
Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall đƣợc giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn
điện. Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích (ví dụ nhƣ electron
trong kim loại). Khi chạy qua từ trƣờng, các điện tích chịu lực Lorentz bị đẩy về một
trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó âm hay dƣơng. Sự tập
trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dấu ở 2 mặt của thanh Hall gây
ra hiệu điện thế Hall.
Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trƣờng là:

Với V
H
là hiệu thế Hall, I là cƣờng độ dòng điện, B là cƣờng độ từ trƣờng, d là
độ dầy của thanh Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall,
và n là mật độ các hạt này trong thanh Hall. Công thức này cho thấy một tính chất
quan trọng trong hiệu ứng Hall là nó cho phép phân biệt điện tích âm hay dƣơng chạy
trong thanh Hall, dựa vào hiệu thế Hall âm hay dƣơng. Hiệu ứng này lần đầu tiên
chứng minh rằng, trong kim loại, electron chứ không phải là proton đƣợc chuyển động
tự do để mang dòng điện. Điểm thú vị nữa là, hiệu ứng cũng cho thấy trong một số
chất (đặc biệt là bán dẫn), dòng điện đƣợc mang đi bởi các lỗ trống điện tử (có điện
tích tổng cộng là dƣơng) chứ không phải là electron đơn thuần.
Khi từ trƣờng lớn và nhiệt độ hạ thấp, có thể quan sát thấy hiệu ứng Hall lƣợng
tử, thể hiện sự lƣợng tử hóa điện trở của vật dẫn. Với các vật liệu sắt từ, điện trở Hall
bị tăng lên một cách dị thƣờng, đƣợc biết đến là hiệu ứng Hall dị thƣờng, tỷ lệ với độ
từ hóa của vật liệu. Cơ chế vật lý của hiệu ứng này hiện vẫn còn gây tranh cãi. Hình
2.1 thể hiện trạng thái hiệu ứng Hall khi chƣa có từ trƣờng.

8




Hình 2.1: Hiêu ứng Hall khi chưa có từ trường
Hình 2.1 sẽ thuyết minh nguyên lý cơ bản của hiệu ứng Hall. Nó nói rằng một
tấm vật liệu bán dẫn mỏng (phần tử Hall) có dòng điện chạy qua nó. Kết nối ngõ ra
vuông góc với chiều của dòng điện. Khi không có từ trƣờng đặt vào (hình 2.1), sự
phân bố dòng sẽ không đổi và không có sự khác biệt về điện áp ở ngõ ra.
Hình 2.2 thể hiện hiêu ứng Hall khi có từ trƣờng đặt vào.


Hình 2.2: Nguyên lý hiêu ứng Hall khi có từ trường đặt vào
Khi đặt một từ trƣờng vuông góc vào nhƣ hình 2.2, một lực Lorent tác dụng lên
dòng điện. Lực này sẽ làm nhiễu loạn sự phân bố dòng điện, kết quả là tạo sự khác biệt
về điện áp ở ngõ ra. Điện áp này đƣợc gọi là điện áp Hall. Sự tƣơng tác giữa từ trƣờng
và dòng điện đƣợc chỉ ra nhƣ biểu thức dƣới đây.

2.1. Giới thiệu vi mạch Hall cảm biến dòng ACS712
Vi mạch ASC172 là một cảm biến dòng tuyến tính dựa vào hiệu ứng Hall, đƣợc
tích hợp đầy đủ với chất dẫn dòng điện trở thấp và độ cách điện 2.1kV RMS.
2.1.1. Dạng đóng gói và sơ đồ khối
ACS712 đƣợc đóng gói theo dạng SOIC-8 nhƣ hình 2.3 dƣới đây.
9



Hình 2.3: Vi mạch ACS712
Hình 2.4 giới thiệu sơ đồ nguyên lý mạch điện của cảm biến.

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ACS172
Nhìn sơ đồ trên ta thấy bên trong cảm biến đã đƣợc tích hợp sẵn bộ bù thế offset
và các bộ khuyếch đại tín hiệu. Tụ lọc C
F
kết hợp với các trở nội tạo thành bộ lọc RC
ngay trƣớc bộ đệm đầu ra giúp giảm suy hao do sụt áp trên bộ lọc. Đồng thời tụ C
F

cũng xác định bandwidth của cảm biến.
2.1.2. Đặc điểm kỹ thuật của cảm biến ACS712
 Đƣờng tín hiệu analog độ nhiễu thấp.
 Băng thông của thiết bị đƣợc thiết định thông qua chân FILTER mới.
 Thời gian tăng của ngõ ra để đáp ứng với dòng ngõ vào là 5µs.
 Băng thông 80kHz.
 Tổng lỗi ngỏ ra tại TA = 25°C là 1.5%.
 Dạng đóng gói SOIC8 với các chân nhỏ.
 Điện trở dây dẫn trong 1.2mΩ.
 Điện áp cách điện tối thiểu 2.1kV RMS từ chân 1-4 đến chân 5-8.
 Nguồn vận hành đơn 5V.
10


 Độ nhạy ngõ ra từ 66 đến 185mV/A.
 Điện áp ngõ ra tƣơng ứng với dòng DC hoặc AC.
 Điện áp offset (lệch) ngõ ra cực kỳ ổn định.
 Sự trễ từ gần bằng zero.
 Ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với ngõ vào từ nguồn cung cấp.
2.1.3. Mô tả chi tiết về cảm biến ACS712
ACS712 Allegro cung cấp giải pháp kinh tế và chính xác cho việc cảm ứng dòng

AC hoặc DC trong các hệ thống công nghiệp, thƣơng mại và liên lạc. Dạng đóng gói
của thiết bị cho phép ngƣời sử dụng dễ dàng lắp đặt. Ứng dụng tiêu biểu bao gồm điều
khiển động cơ, quản lý và phát hiện tải, nguồn cung cấp chế độ switch, và bảo vệ lổi
quá dòng. Thiết bị này không sử dụng cho các ứng dụng trong ô tô.
Thiết bị bao gồm mạch điện Hall tuyến tính, độ lệch thấp và chính xác với đƣờng
dây dẫn đồng đƣợc đặt gần bề mặt của lớp vỏ. Dòng điện đƣợc cung cấp đi qua phần
dây đồng sẽ tạo ra một trƣờng điện từ mà IC sẽ chuyển đổi thành điện áp tƣơng ứng.
Thiết bị đƣợc tối ƣu hóa một cách chính xác thông qua các tín hiệu từ rất gần đến bộ
biến đổi Hall.
Một điện áp tỷ lệ, chính xác đƣợc cung cấp bởi IC Hall BiCMOS độ lệch thấp,
bộ tạo xung đƣợc ổn định mà đã đƣợc lập trình chính xác sau khi đóng gói.
Ngõ ra của thiết bị có 1 sƣờn xung dƣơng (> VIOUT(Q)) khi tăng dòng điện đi
qua phần dây đồng thứ cấp (từ chân 1 và 2, đến chân 3 và 4), là phần đƣợc dùng để lấy
mẫu dòng điện. Điện trở trong của phần dẫn điện này là 1.2mΩ, tiêu thụ nguồn thấp.
Bề dày của dây đồng cho phép thiết bị có thể chịu đƣợc đến 5 lần điều kiện quá dòng.
Các đầu của phần dẫn điện đƣợc cách điện với các đầu tín hiệu (chân 5 đến chân 8).
Điều này cho phép ACS712 đƣợc dùng trong các ứng dụng đƣợc yêu cầu cách điện mà
không dùng bộ phân cách quang (OPTORON) hoặc các kỹ thuật cách điện đắt tiền
khác.
ACS712 đƣợc cung cấp trong dạng đóng gói SOIC8 dáng bề mặt nhỏ. Các khung
chân của thiết bị đƣợc mạ với 100% thiếc mà nó phù hợp với tiêu chuẩn RoSH. Thiết
bị này đƣợc hiệu chuẩn đầy đủ tại nhà máy trƣớc khi xuất xƣởng.
2.1.4. Các đặc tính vận hành
Bảng 2-1 giới thiệu các đặc tính chung của cảm biến ACS712.
11



Bảng 2-1: Các đặc tính chung của ACS712
Hình 2.5 mô tả đặc tính hàm truyền của cảm biến.

Hình 2.5: Đặc tính hàm truyền
12


CHƢƠNG 3: VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A
Vi điều khiển PIC16F877A đƣợc sử dụng trong luận văn đóng vai trò là mạch xử
lý điều khiển toàn bộ thiết bị. Các tài liệu chi tiết về vi điều khiển này đƣợc nhà sản
xuất cung cấp đầy đủ trên trang chủ của hãng.
Đặc điểm cơ bản của họ vi điều khiển PIC16F877A
Dòng PIC16F877A có rất nhiều chức năng mạnh, nhƣng trong giới hạn của đề
tài, bài luận văn chỉ tập trung tìm hiểu về:
- Đặc điểm tổng quát.
- Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức năng của các chân.
- Các đặc điểm nổi bật của các cổng vào ra.
- Bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang số.
- Các giao tiếp truyền thông SPI, UART.
3.0. Đặc điểm tổng quát của vi điều khiển PIC16F877A
PIC16F877A là một trong 4 dòng vi điều khiển 8 bít của Microchip ra đời năm
2007 với những đặc điểm điển hình nhƣ sau [6]:
Vùng hoạt động:
- Điện áp nuôi thấp: từ 3,0 đến 5 V.
- Xung nhịp hỗ trợ từ 1 đến 5 MIPS.
- Dải nhiệt độ hoạt động từ -40
o
C đến 125
o
C.
Vi điều khiển hiệu suất cao:
- Có kiến trúc Harvard.

- Tập lệnh tối ƣu cho trình biên dịch ngôn ngữ C.
- 8 bítdữ liệu, 24 bít cho lệnh.
- Bộ nhớ chƣơng trình có thể định địa chỉ lên tới bốn triệu từ lệnh.
- Bộ nhớ dữ liệu: 64 kbyte.
- 83 tập lệnh cơ sở, hầu hết xử lý trong một chu kỳ.
- Hai bộ tích lũy 40 bít.
- Hỗ trợ phép nhân chia 8 bít.
Truy cập bộ nhớ trực tiếp:
- Hỗ trợ đến tám kênh.
- 2 Kbyte bộ nhớ đệm.
- Hầu hết các ngoại vi đều hỗ trợ truy nhập bộ nhớ trực tiếp.
Bộ định thời / Bộ so sánh/ Bộ điều chế độ rộng xung
- Có đến năm bộ định thời 8 bít, cho phép ghép hai bộ thành bộ định thời 32 bít.
- Một bộ định thời chạy với thạnh anh ngoài 32,768 kHz.
13


- Bốn bộ FIFO cho mỗi bộ bắt tín hiệu.
- Bộ so sánh 8 bít.
Bộ điều khiển ngắt:
- Độ trễ năm chu kỳ máy.
- Hỗ trợ 53 nguồn ngắt, ba ngắt ngoài, bẩy mức ƣu tiên lập trình đƣợc.
Cổng vào ra số:
- Cho phép chọn chức năng ngoại vi của từng chân.
- 31 chân cho phép đánh thức vi điều khiển khi phát hiện thay đổi điện áp.
- Các chân lối vào đều hỗ trợ đến 5V.
- Các chân lối ra hỗ trợ ra nguồn 5V ở chế độ cực góp hở.
Flash và SRAM:
- Flash 8 kbyte.
- SRAM: 256 byte.

- Bộ nhớ flash chia thành các phần Boot, Secure, General Security.
Quản lý hệ thống:
- Có nhiều chế độ lấy xung dao động.
- Bộ ổn nguồn 2,5V đƣợc đặt ngay trên vi điều khiển.
Bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số:
- 10 bít: Tốc độ 1,1 Msps.
- 12 bít: Tốc độ 500 ksps.
- 9 kênh ADC, có thể nhận ADC trong chế độ ngủ.
Bộ chuyển đổi số sang tƣơng tự:
- 8 bít, hai kênh.
- Tốc độ lấy mẫu tối đã 100 ksps.
Công nghệ CMOS:
- Tiêu thụ năng lƣợng thấp, công nghệ Flash tốc độ nhanh.
Các ngoại vi giao tiếp:
- SPI: 8 bit, 8 bít, hộ trợ tất cả các định dạng đồng hồ nối tiếp.
- I
2
C: Cho phép định địa chỉ 7 bít, 10 bít. Khả năng dò và phân xử xung đột
đƣờng truyền.
- UART: có hai bộ, độ rộng FIFO bốn ký tự.
- CAN: 32 bộ đệm nhận, 16 bộ lọc nhận, ba mặt nạ.
- PMP: Hỗ trợ tám bộ, 8 bítdữ liệu, 8 bítđƣờng địa chỉ.
- CRC: Có 8 byte hàng đợi, 16 bit cho dữ liệu đầu vào.
Hình 3.1 thể hiện các chức năng và hiệu suất của các dòng vi điều khiển của
Microchip. Trong đó, PIC16F877A là dòng vi điều khiển 8 bít có hiệu suất cao và
nhiều chức năng nhất.
14

Hình 3.1: Biểu đồ thể hiện chức năng và hiệu suất của dòng PIC16F877A so với các
dòng vi điều khiển khác của Microchip.
3.1. Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức năng của các chân
3.1.1. Sơ đồ khối
Các ngoại vi đƣợc kết nối với nhân xử lý bằng đƣờng dữ liệu 8 bít. Ngoại trừ
thanh ghi chốt địa chỉ là 24 bít.
Hình dƣới mô tả cấu trúc của một vi điều khiển PIC16F877A bao gồm những
thành phần chính nhƣ sau:
- Bộ xử lý trung tâm.
- Cấu trúc bộ nhớ.
- Bộ tạo dao động
- Các bộ ngoại vi.
- Các cổng vào ra.
Hình 3.2 dƣới đây mô tả các bus địa chỉ dữ liệu của vi điều khiển PIC16F877A.
15



Hình 3.2: Sơ đồ khối của PIC16F877A
3.1.2. Sơ đồ chân
PIC16F877A đƣợc đóng gói kiểu DIP40, có tổng cộng 40 chân.
16



Hình 3.3: Sơ đồ chân của PIC16F877A
3.1.3. Bảng mô tả chức năng của chân
Mỗi chân của họ vi điều khiển PIC16F877A đều kiêm nhiệm nhiều chức năng
khác nhau. Bảng dƣới sẽ mô tả chức năng của các nhóm chân.
Bảng 3-1: Chức năng các chân của PIC16F877A

Nhóm
Vị trí chân
Loại
Mô tả chân
Nguồn nuôi
7,17,28,40
VDD
Cung cấp nguồn dƣơng dải rộng <5V
6,16,29
VSS
Nối đất
Bộ dao động
30,31
OSCx
Đầu vào của xung dao động thạch anh ngoài
Bộ nạp và
gỡ rối

9,22,42
PGECx
Lối vào xung dao động điều khiển việc nạp và
gỡ rối chƣơng trình theo chuẩn ICSP
8,21,41
PGEDx
Lối truyền dữ liệu để nạp và gỡ rối theo chuẩn
ICSP
Các ngoại vi
19->27
ANx
Lối vào cho bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự

sang tín hiệu số
17



CNx
Các chân có khả năng tạo ngắt khi có sự thay
đổi điện áp vào các chân đó

PWMx
Chân ra của bộ điều chế độ rộng xung

PMxx
Các chân I/O của cổng song song
3.2. Các cổng vào ra
Tất cả các chân của vi điều khiển PIC16F877A (ngoại trừ VDD, VSS, MCLR,
OSC/CLKI) đều có thể đƣợc cấu hình là các chân vào ra của ngoại vi hoặc là các chân
của cổng song song.
3.3.1. Cổng song song
Cấu tạo của một chân vào ra thông thƣờng của PIC16F877A đƣợc mô tả trong
hình 3.4.
Bộ đệm dữ liệu lối ra của ngoại vi và tín hiệu điều khiển đƣợc lựa chọn bởi hai
bộ hợp kênh. Các bộ hợp kênh này sẽ quyết định chân đó là chân vào ra của ngoại vi
hay chỉ là chân vào ra thƣờng đƣợc điều khiển bởi cổng song song.
- Khi một chân đƣợc thiết lập là lối vào ra của một ngoại vi, chân đó chỉ có chức
năng nhận tín hiệu và không thể điều khiển nó nhƣ là một chân dữ liệu ra.
Một chân của cổng song song bất kỳ đƣợc điều khiển bởi 3 thanh ghi:
- TRISx: Thanh ghi này quyết định hƣớng vào ra của một chân. Với x sẽ tƣơng
ứng là tên cổng các cổng của PIC16F877A, ví dụ: TRISA, TRISB, TRISC….vvv. Khi
các bít của thanh ghi này là một thì các chân tƣơng ứng với từng bít là chân vào và

ngƣợc lại.
- LATx: Dùng để đặt giá trị cho một chân khi nó là lối ra.
- PORTx: Dùng để đọc giá trị của cổng song song.
Ví dụ, khi ngƣời dùng muốn đặt giá trị của chân thứ nhất cổng A có giá trị là
mức logic cao:
_TRISA1 = 0; //Đặt hƣớng của chân thứ nhất cổng A là chân lối ra số.
_LATA1 = 1; //Đặt giá trị chân thứ nhất của cổng A là mức cao.
18



Hình 3.4: Cấu tạo một cổng vào ra của PIC16F877A
Các chân đều đƣợc thiết kế kiểu cực góp hở, có khả năng tƣơng thích với mức
điện áp cao hơn điện áp nguồn bởi việc gắn thêm một trở treo bên ngoài.
3.3.2. Các chân tín hiệu tương tự
Thanh ghi AD1PCFGL và TRISx sẽ điều khiển các chân nhận tín hiệu tƣơng tự.
Ở chế độ mặc định, AD1PCFGL = 0x0000 và các chân vào ra có ký hiệu ANx sẽ là
chân nhận tín hiệu tƣơng tự.
Các chân CNx hỗ trợ hức năng phát hiện sự thay đổi trạng thái của các chân khi
VĐK chạy trong chế độ ngủ. Có 4 thanh ghi quản lý chức năng này, CNEN1,CNEN2
là hai thanh ghi quản lý ngắt, khi có sự kiện thay đổi trạng thái ở các chân tƣơng ứng
xuất hiện.
3.3.3. Cách chọn chân tương ứng với ngoại vi
PIC16F877A hỗ trợ chức năng cho phép chọn lựa các chân cho từng ngoại vi.
PIC16F877 có 26 chân ký hiệu RPn thực hiện chức năng này. Các chân đƣợc nối vào
một bộ hợp kênh trƣớc khi nối với bộ nhận tín hiệu của ngoại vi nào đó.
Hình 3.5 mô tả bộ hợp kênh lối vào bộ nhận của khối truyền thông nối tiếp bất
đồng bộ vạn năng.
19

Hình 3.5: Bộ hợp kênh lối vào cho các ngoại vi
Có 5 bít trong thanh ghi RPINRx đƣợc sử dụng cho việc cấu hình các chân lối
vào của ngoại vi. Tên các thanh ghi tƣơng ứng với từng ngoại vi đƣợc liệt kê trong
bảng 1-2.
Ví dụ: Việc cấu hình chân RX cho bộ UART1
Thanh ghi điều khiện bộ nhận của UART1 là thanh ghi RPINR18 với năm bít
U1RXR<4:0>. Giả sử, muốn cho chân RX của bộ nhận UART1 là chân RP10 thì:
RPINR18 = 0x0A
Tƣơng tự nhƣ RPINRx, Thanh ghi RPORx cũng gồm năm bít để xác định các
chân ra cho từng bộ ngoại vi.
Ví dụ: Muốn cấu hình chân TX của bộ UART1 là chân RP11 ta có:
RP11 đƣợc quản lý bởi thanh ghi RPOR5. Ta chỉ cần gán năm bít đầu của thanh
ghi RPOR5 bằng giá trị của ngoại vi tƣơng ứng đƣợc mô tả trong bảng dƣới (bảng 3-
2).
Nhƣ vậy ta có:
RPOR5 = 0x05
Bảng 3-2 giới thiệu ngoại vi và các thanh ghi cấu hình lối vào tƣơng ứng.