nghiên cứu lắp ráp máy đo tần số âm tần hiển thị số

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

VƯƠNG PHÚ TÀI

NGHIÊN CỨU LẮP RÁP
MÁY ĐO TẦN SỐ ÂM TẦN HIỂN THỊ SỐ
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ
Mã số : 102

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
ThS. Phan Thanh Vân

Thành phố Hồ Chí Minh – năm 2013


2

LỜI CẢM ƠN
Thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp đại học đối với tôi rất đặc biệt. Trong suốt
khoảng thời gian này, tôi đã học được nhiều điều mới rất bổ ích cho niềm đam mê
nghiên cứu khoa học của tôi. Muốn thực hiện và hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp, tôi
nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ gia đình, thầy cô, bạn bè. Tôi xin chân thành gửi lời
cảm ơn đến
− Gia đình vì đã sinh ra, nuôi nấng và động viên tôi kịp thời.
− Thầy Phan Thanh Vân đã có những hướng dẫn tận tình, sâu sát, đôn đốc trong
quá trình hoàn thành luận văn.
− Thầy Cao Anh Tuấn và thầy Trần Đặng Bảo Ân đã tạo điều kiện sử dụng phòng

thí nghiệm hiệu quả để hoàn thành tốt luận văn.
− Các thầy cô trong trong hội đồng phản biện đã giúp tôi hoàn thiện, điều chỉnh
luận văn một cách tốt nhất có thể.
− Các thầy cô trong khoa đã tạo điều kiện thực hiện cho tôi được thực hiện luận
văn.
− Các bạn bè đã động viên, hỗ trợ về mặt tinh thần cũng như chuyên môn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời chúc sức khỏe tới quý thầy cô trong khoa Vật Lý và
mong khoa ngày càng phát triển hơn nữa.


3

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................2
MỤC LỤC .......................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .........................................................................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG ..............................................................................................8
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIC ...........................................................................11
1.1 Các hệ thống số ...................................................................................................11
1.2 Mã và mã ASCII ..................................................................................................13
1.2.1 Khái niệm về mã ...........................................................................................13
1.2.2 Mã ký tự ASCII ............................................................................................13
1.3 Sơ lược về PIC .....................................................................................................13
1.3.1 Sơ lược lịch sử phát triển..............................................................................13
1.3.2 Một số đặc tính chung của vi điều khiển PIC ..............................................14
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ LINH KIỆN LIÊN QUAN – NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
MẠCH 555 VÀ MẠCH ĐO TẦN SỐ ..........................................................................17
2.1 IC 78XX ..............................................................................................................17
2.2 Thạch anh ............................................................................................................19

2.3 LCD .....................................................................................................................19
2.3.1 Phân loại .......................................................................................................19
2.3.2 Ý nghĩa các chân ..........................................................................................20
2.3.3 Thanh ghi và tổ chức bộ nhớ ........................................................................21
2.3.4 Tập lệnh của LCD ........................................................................................23
2.3.5 Giao tiếp và nguyên tắc hiển thị ký tự trên LCD .........................................25
2.4 Vi điều khiển 16F887 ..........................................................................................27
2.4.1 Sơ đồ và tên các khối của 16F887 ................................................................27
2.4.2 Sơ đồ và chức năng của các chân .................................................................29
2.4.3 Tổ chức bộ nhớ ............................................................................................31
2.4.4 Các bộ định thời ...........................................................................................34
2.5 OPAMP ...............................................................................................................35
2.5.1 Định nghĩa ....................................................................................................35
2.5.2 Khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ khóa.............................................37


4
2.6 PC 900V ..............................................................................................................37
2.7 Flip – Flop ...........................................................................................................39
2.8 IC 555 ..................................................................................................................40
2.8.1 Sơ đồ và chức năng các chân của IC 555 .....................................................40
2.8.2 Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động của IC555 ...........................................41
2.9 Sơ đồ mạch tạo xung vuông dùng 555 và nguyên tắc hoạt động ........................42
2.10 Nguyên tắc hoạt động mạch đo tần số ...............................................................43
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG – THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ MẠCH IN .......45
3.1 Mô phỏng bằng Proteus .......................................................................................45
3.2 Mạch tạo xung dùng 555 .....................................................................................48
3.2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý ..............................................................................48
3.2.2 Thiết kế mạch in ...........................................................................................60
3.3 Mạch đo tần số.....................................................................................................68

3.4 Thi công mạch in bằng phương pháp ủi thủ công. ..............................................70
3.4.1 In mạch .........................................................................................................70
3.4.2 Cắt board ......................................................................................................70
3.4.3 Ủi mạch ........................................................................................................70
3.4.4 Ngâm ............................................................................................................71
3.4.5 Khoan ...........................................................................................................71
3.4.6 Hàn linh kiện ................................................................................................71
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ...............................................................................................72
4.1 Mạch đo tần số.....................................................................................................72
4.1.1 Thực hành trên Testboard .............................................................................72
4.1.2 Mạch sau khi gia công và hàn linh kiện .......................................................72
4.1.3 Máy đo tần số hoàn chỉnh.............................................................................73
4.2 Mạch tạo xung dùng IC 555 ................................................................................73
4.2.1 Thực hành trên Testboard và quan sát tín hiệu qua dao động ký điện tử .....73
4.2.2 Mạch tạo xung hoàn chỉnh ...........................................................................74
4.3 Đo tần số từ mạch phát xung 555 sử dụng máy đo tần số ...................................74
4.3.1 Thực hành trên Testboard .............................................................................74
4.3.2 Kết quả thực nghiệm ....................................................................................75
4.4 Đo tần số từ máy phát xung chuẩn ......................................................................75


5
4.5 Kết luận và hướng phát triển ...............................................................................78
4.5.1 Kết luận ........................................................................................................78
4.5.2 Hướng phát triển ...........................................................................................78
PHỤ LỤC ......................................................................................................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................81


6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
2.20
2.21
2.22
2.23
2.24
2.25
2.26
2.27

2.28
2.29
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13

Diễn giải
Thứ tự chân của họ IC 78XX.
Sơ đồ mạch IC 78XX.
Hình dạng thạch anh sau khi gia công dùng trong các mạch điện tử.
Text LCD.
Thứ tự các ô nhớ trên DDRAM.
Cách mắc LCD theo kiểu giao tiếp 4 bit.
Sơ đồ khối giao tiếp với LCD.
Sơ đồ khối của PIC 16F887.
Sơ đồ chân PIC 16F887.
Bộ nhớ chương trình và các ngăn xếp.
Bộ nhớ dữ liệu.
Thứ tự các bit trên thanh ghi STATUS.
Thứ tự các bit trên thanh ghi OPTION_REG.

Thứ tự các bit trên thanh ghi INTCON.
Thứ tự các bit trên thanh ghi PIE1.
Thứ tự các bit trên thanh ghi PIR1.
Thứ tự các bit trên thanh ghi PIE2.
Thứ tự các bit trên thanh ghi PIR2.
Thứ tự các bit trên thanh ghi PCON.
Sơ đồ chân của OPAMP.
Đường đặc tính OPAMP làm việc ở chế độ khóa.
Sơ đồ chân của PC900V.
Sơ đồ cấu trúc bên trong của PC900V.
Sơ đồ chân Flip – Flop loại S – R.
Sơ đồ chân của IC555.
Sơ đồ khối IC555.
Sơ đồ mạch tạo xung sử dụng IC555.
Sơ đồ máy đo âm tần.
Sơ đồ khối mạch đo tần số.
Giao diện chính của ISIS.
Khung Pick Devices.
Linh kiện sau khi sắp xếp xong.
Nối dây cho linh kiện.
Mô phỏng mạch đo tần số đang hoạt động.
Mô phỏng mạch tạo xung dùng IC555.
Giao diện Orcad Capture CIS.
Tạo trang thiết kế mới.
Hộp thoại New Project.
Cửa sổ Select Directory.
Chọn thư mục lưu.
Hộp thoại New Project sau khi chọn xong thư mục.
Màn hình chính Capture CIS.

Trang
16
16
17
18
20
24
24
26
27
29
30
31
31
31
32
32
32
32
32
34
35
36
36
37
38
39
40
41
42

43
44
45
45
46
46
47
47
48
48
49
49
50


7
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24
3.25
3.26
3.27

3.28
3.29
3.30
3.31
3.32
3.33
3.34
3.35
3.36
3.37
3.38
3.39
3.40
3.41
3.42
3.43
3.44
3.45
3.46
3.47
3.48
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9

4.10

Hộp thoại Design Templates.
Hộp thoại Browse File.
Hộp thoại Place Part.
Vị trí các linh kiện sau khi sắp xếp xong.
Giao diện Orcad Layout Plus.
Giao diện Library Manager.
Khung Libraries sau khi thêm thư viện layout.
Chọn Footprint cho điện trở.
Dán Footprint cho linh kiện.
Đi dây cho linh kiện.
Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung dùng IC 555.
Giao diện Project Manager.
Hộp thoại Design Rules Check.
Hộp thoại Create Netlist.
Thông báo đường dẫn lưu file thiết kế.
Vị trí hai file .drc và .mnl.
Hộp thoại Auto ECO.
Hộp thoại Input Layout MAX File.
Chọn file .MNL đã tạo ở sơ đồ nguyên lý.
Hộp thoại Auto ECO hoàn chỉnh.
Thông báo thông số các linh kiện đã chọn.
Thông báo đã hoàn thành việc xử lý.
Giao diện Orcad Layout sau khi tạo file .max.
Sau khi sắp xếp xong linh kiện.
Khung Layers.
Khung Edit Layer.
Khung Layer sau khi chọn xong lớp vẽ mạch in.
Hộp thoại Nets.

Hộp thoại Edit Net.
Hộp thoại Nets sau khi điều chỉnh các thông số.
Hộp thoại Edit Obstacle.
Thông báo đã chạy dây xong.
Mạch in mạch tạo xung dùng IC555 hoàn chỉnh.
Sơ đồ nguyên lý mạch đo tần số.
Mạch in của mạch đo tần số.
Kết quả thực hành trên Testboard.
Mạch đo tần số sau khi thi công, hàn linh kiện.
Máy đo tần số hoàn chỉnh.
Thực hành trên Testboard.
Quan sát tín hiệu mạch tạo xung tạo ra qua dao động ký.
Mạch tạo xung sau khi thi công, hàn linh kiện.
Thực hành trên Testboard.
Kết quả thực nghiệm.
Đo tần số từ máy phát xung chuẩn.
Đồ thị so sánh tần số đo được của máy đo âm tần và máy phát xung
chuẩn.

50
51
51
52
52
53
53
54
54
55
55

56
56
57
57
58
58
59
59
60
60
61
61
62
62
63
63
64
64
65
65
66
66
67
67
70
70
71
71
72
72

72
73
73
76


8

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
1.1
2.1
2.2
2.3
2.4
4.1
4.2
4.3
4.4

Diễn giải
Một vài hệ thống số.
Giá trị điện áp ra của một số họ IC 78XX và 79XX.
Thứ tự và chức năng các chân của Text LCD.
Tập lệnh của LCD.
Các bit viết tắt và mô tả.
Tần số từ 0 đến 5.000 Hz.
Tần số từ 5.000 đến 10.000 Hz.
Tần số từ 10.000 đến 15.000 Hz.
Tần số từ 15.000 đến 20.000 Hz.

Trang
10
15
19
21
23
74
74
75
75


9

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hàng ngày, khi ta thức dậy thì lại có thêm rất nhiều thông tin về công nghệ mới
được cập nhật. Đa số trong các công nghệ này liên quan đến lĩnh vực điện – điện tử
như máy tính bảng, điện thoại thông minh,.... Điều này chứng tỏ sự phát triển nhanh và
mạnh của lĩnh vực điện tử là không có giới hạn. Do đó, việc học tập và nghiên cứu các
vấn đề liên quan đến điện – điện tử là việc làm hết sức đúng đắn và cần thiết trong thời
đại số hiện nay. Đối với sinh viên khoa Vật Lý – Trường Đại học Sư phạm thành phố
Hồ Chí Minh đã được làm quen với các kiến thức căn bản về linh kiện điện tử, xung,
các mạch phát xung thì việc tiếp cận càng phải được quan tâm với mức độ cần thiết.
Đặc trưng của xung là tần số và chúng ta đã có một vài phương pháp như đo trực tiếp
bằng dao động ký điện tử, phương pháp Lissajous. Tuy nhiên, các phương pháp đo
trên còn khá phức tạp về thao tác, tính toán. Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải có một máy
đo tần số để có thể xác định và kiểm chứng được tần số âm tần của máy phát xung bất
kỳ một cách đơn giản, phổ thông. Xuất phát từ yêu cầu đó, tôi quyết định sử dụng vi

điều khiển để thiết kế và lắp ráp máy đo âm tần hiển thị số.

2. Mục đích đề tài
Lắp ráp được máy đo âm tần và so sánh kết quả của máy đo với tần số do máy
phát xung chuẩn phát ra. Qua đó, phục vụ cho công tác giảng dạy phần đo tần số của
máy phát xung.

3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu những kiến thức về điện – điện tử, các linh kiện điện tử.
- Nghiên cứu về vi điều khiển về cấu trúc phần cứng, cách lập trình; và LCD về
cấu trúc, cách giao tiếp.
- Thiết kế, chế tạo, giới thiệu nguyên lý hoạt động của máy phát xung dùng IC
555 và máy đo âm tần.
- So sánh tần số của máy đo âm tần với tần số của máy phát xung chuẩn và rút
ra kết luận.


10

4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
- Kiến thức cơ bản về điện – điện tử, vi điều khiển.
- Thiết kế và chế tạo mạch điện tử.
- Lý thuyết đo tần số của máy phát.
Phạm vi nghiên cứu
- Máy phát xung dùng IC 555.
- Máy đo âm tần hiển thị số trên LCD sử dụng vi điều khiển PIC 16F887.

5. Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiểu kiến thức căn bản về điện – điện tử. Xác định và tìm hiểu các linh

kiện phục vụ cho đề tài về cấu tạo, nguyên lý hoạt động. Thiết kế mạch in, chế tạo
mạch điện tử. Ứng dụng thiết bị vừa chế tạo để đo đạc lấy số liệu thực nghiệm. Rút ra
kết luận.

6. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Đọc, nghiên cứu kỹ các cơ sở lý thuyết về
mạch điện, quá trình thiết kế mạch điện, vi điều khiển, cách đo tần số.
Phương pháp chuyên gia: tiến hành lấy ý kiến, ghi chép chu đáo của giảng viên,
các bạn để xây dựng sơ đồ nguyên lý và mạch in chính xác, phù hợp.
Phương pháp thực nghiệm khoa học: Kiểm tra cấu tạo và hoạt động của mạch
trên phần mềm mô phỏng Protues, Test board. Sửa chữa các sai sót, tối ưu hóa mạch
điện để vẽ và thiết kế mạch in.


11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIC
Chương này sẽ trình bày những kiến thức cơ bản, phổ thông nhất về PIC và vi
điều khiển 16F887. PIC nói chung hay vi điều khiển nói riêng và thậm chí LCD được
đề cập ở chương sau đều là các linh kiện số nên muốn làm việc với nó thì ta phải nắm
được ngôn ngữ của chúng. Do đó, đầu tiên chương này sẽ điểm qua một số hệ thống
số, cách chuyển đổi giữa chúng. Tiếp theo, tôi sẽ trình bày về PIC và cụ thể hóa bằng
vi điều khiển 16F887.

1.1 Các hệ thống số
− Hệ thống số là tập hợp các ký tự và mối quan hệ giữa các ký tự đó để biểu diễn
các số.
− Trong cuộc sống hàng ngày, ta đã quen với việc sử dụng hệ thống số thập phân.
Tuy nhiên, trong các thiết bị số nói chung, thường sử dụng hệ nhị phân (binary),
hệ bát phân (octan), hệ thập lục phân (hexadecimal). Các hệ thống số khác nhau

được phân biệt bằng cơ số của hệ. Cơ số của một hệ thống số là số ký tự phân
biệt để biểu diễn số trong hệ đó. Ví dụ trong hệ thập phân có 10 ký tự phân biệt
0, 1, 2, 3, …, 9; còn trong hệ nhị phân chỉ có hai ký tự phân biệt là 0 và 1 [6].
− Người ta có thể biểu diễn bất kỳ một số S nào trong hệ thống cơ số A theo đa
thức khai triển sau đây:
(S) A = C n An + C n – 1 An –1 + … + C 0 A0 + C –1 A–1 + … + C –m A– m (I.1)
Hay

(S) A =

n

∑ C A (I.2)
i

i= − m

i

Trong đó 0 < C i < A – 1.
Ví dụ: (1111) 2 = 1 x 23 + 1 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20.
− Các hệ thống số đếm được phân làm hai loại là loại có trọng số (như hệ thập
phân, hệ nhị phân v.v..) và loại không có trọng số (như hệ nhị phân quá 3, hệ nhị
phân Gray,…).


12
− Trọng số của một hệ đếm đặc trưng cho vị trí của ký tự đó nằm trong dãy ký tự
biểu diễn cho một con số trong hệ đó. Trong hệ thức (I.1) và (I.2) các hệ số A i
chính là các trọng số, với i là vị trí của ký tự C i trong dãy số.

Bảng 1.1: Một vài hệ thống số.
Thập phân
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

Nhị phân
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001

1010
1011
1100
1101
1110
1111

Bát phân
00
01
02
03
04
05
06
07
10
11
12
13
14
15
16
17

Thập lục phân
0
1
2
3

4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F

 Để chuyển đổi một số trong hệ thập phân sang hệ thống số khác (cơ số A) phải
thực hiện các bước sau:
− Lấy phần nguyên chia cho cơ số A, ghi lại số dư. Đem kết quả của phép chia
(thương số) tiếp tục chia cho cơ số A. Cứ thực hiện như vậy cho đến khi kết quả
phép chia nhỏ hơn cơ số A. Phần nguyên trong hệ cơ số A sẽ là tập hợp các số
dư của phép chia , trong đó số dư đầu tiên có trọng số nhỏ nhất.
− Lấy phần thập phân nhân cho cơ số A, ghi lại phần nguyên. Phần thập phân còn
lại tiếp tục nhân cho cơ số A. Cứ tiếp tục như vậy cho đến độ chính xác mà ta
muốn. Phần thập phân trong hệ cơ số A sẽ là tập hợp các phần nguyên của phép
nhân, trong đó số đầu tiên có trọng số lớn nhất.
 Để đổi từ hệ nhị phân sang hệ bát phân, trước hết phải gom các số thành nhóm có
ba chữ số, tính từ dấu chấm phân cách phần nguyên và phần thập phân. Mỗi
nhóm này được thay thế bằng một chữ số hệ bát phân theo bảng mã.


13
 Để đổi từ hệ nhị phân sang hệ thập lục phân, trước hết phải gom các số thành

nhóm có bốn chữ số, tính từ dấu chấm phân cách phần nguyên và phần thập
phân. Mỗi nhóm này được thay thế bằng một chữ số hệ thập lục phân theo bảng
mã.

1.2 Mã và mã ASCII
1.2.1 Khái niệm về mã
Mã là một quy tắc ký hiệu đặt ra để biểu diễn các thông tin. Một mã gồm một
số hữu hạn các từ mã. Mỗi từ mã có một ký hiệu xác định và được gán biểu diễn cho
một thông tin [1].
Trong kỹ thuật số, dạng mã thông dụng là mã nhị phân. Mỗi từ mã của mã nhị
phân là một dãy liên tiếp các số hạng, mỗi số hạng chỉ có thể biểu diễn bằng hai số 0
hay 1, gọi là bit. Như vậy, một mã nhị phân có độ dài n bit, sẽ có 2n tổ hợp khác nhau
và có thể biểu diễn cho 2n thông tin. Việc gắn mỗi từ mã biểu diễn cho từng thông tin
xác định gọi là mã hóa. Việc làm ngược lại gọi là giải mã.

1.2.2 Mã ký tự ASCII
Mã ASCII (viết tắt của American Standard Code for International Interchange –
Mã chuẩn của Mỹ dùng cho trao đổi thông tin) là một mã nhị phân 7 bit thông dụng
để mã hóa các ký tự trong xử lý văn bản (các chữ cái, chữ số, các dấu ?, !, >, < …). Số
ký tự tối đa có thể mã hóa là 27 = 128 ký tự từ 0 đến 127. Trong bảng mã ACII mở
rộng, người ta bổ sung thêm 128 ký tự đặc biệt với mã từ 128 đến 255 [4].
Ví dụ mã ASCII của ‘A’ là 65, của ‘a’ là 97.

1.3 Sơ lược về PIC
1.3.1 Sơ lược lịch sử phát triển
PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip
Technology. Thế hệ PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics
Division thuộc General – Instrument. PIC là viết tắt của “Programmable Intelligent
Computer” là một sản phẩm của hãng General Instrument đặt cho dòng sản phẩm đầu
tiên là PIC1650. Thời điểm đó PIC1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại

14
vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với cái tên "Peripheral
Interface Controller" – bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi.
CP1600 là một CPU mạnh nhưng lại yếu về các hoạt động xuất nhập vì vậy PIC
8-bit được phát triển vào năm 1975 để hỗ trợ cho hoạt động xuất nhập của CP1600.
ROM để chứa mã, mặc dù khái niệm RISC chưa được sử dụng thời bấy giờ, nhưng
PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh với một chu kỳ
máy – gồm 4 chu kỳ của bộ dao động.
Năm 1985 General Instruments bán công nghệ các vi điện tử của họ, và chủ sở
hữu mới hủy bỏ hầu hết các dự án - lúc đó đã quá lỗi thời. Tuy nhiên PIC được bổ
sung EEPROM để tạo thành một bộ điều khiển vào ra lập trình.
Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại
vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC...), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word
đến 32K Word.

1.3.2 Một số đặc tính chung của vi điều khiển PIC
Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nhưng
chúng ta có thể điểm qua một vài nét như sau:
 Là CPU 8/16 bit, xây dựng theo kiến trúc Harvard.
 Có bộ nhớ Flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte.
 Có các cổng xuất – nhập (I/O ports).
 Có timer 8/16 bit.
 Có các chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ/không đồng bộ USART.
 Có các bộ chuyển đổi ADC 10/12 bit.
 Có các bộ so sánh điện áp (Voltage Comparators).
 Có các khối Capture/Compare/PWM.
 Có hỗ trợ giao tiếp LCD.
 Có MSSP Peripheral dùng cho các giao tiếp I²C, SPI, và I²S.

 Có bộ nhớ nội EEPROM - có thể ghi/xoá lên tới 1 triệu lần.
 Có khối điều khiển động cơ, đọc encoder.


15
 Có hỗ trợ giao tiếp USB.
 Có hỗ trợ điều khiển Ethernet.
 Có hỗ trợ giao tiếp CAN.
Đặc điểm thực thi tốc độ cao CPU RISC của họ vi điều khiển PIC16F8XX là:
 Chỉ gồm 35 lệnh đơn.
 Thời gian thực hiện tất cả các lệnh là 1 chu kì máy, ngoại trừ lệnh gọi chương
trình con là 2.
 Tốc độ hoạt động:
* DC - 20MHz ngõ vào xung clock.
* DC - 200ns chu kì lệnh.
 Dung lượng của bộ nhớ chương trình Flash là 8K×14words.
 Dung lượng của bộ nhớ dữ liệu RAM là 368×8bytes.
 Dung lượng của bộ nhớ dữ liệu EEPROM là 256×8 bytes.

1.3.2.1 Các đặc tính ngoại vi
 Timer0: là bộ định thời timer/counter 8 bit có bộ chia trước.
 Timer1: là bộ định thời timer/counter 16 bit có bộ chia trước, có thể đếm khi
CPU đang ở trong chế độ ngủ với nguồn xung từ thạch anh hoặc nguồn xung
bên ngoài.
 Timer2: bộ định thời timer/counter 8 bit với thanh ghi 8-bit, chia trước và bộ
chia sau.
 Hai khối Capture, Compare, PWM.
− Capture có độ rộng 16-bit, độ phân giải 12.5ns.
− Compare có độ rộng 16-bit, độ phân giải 200ns.
− Độ phân giải lớn nhất của PWM là 10-bit.

1.3.2.2 Các đặc tính tương tự
 Có kênh chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số ADC 10-bit.
 Có reset BOR (Brown – Out Reset).


16
 Khối so sánh điện áp tương tự:
− Hai bộ so sánh tương tự.
− Khối tạo điện áp chuẩn VREF tích hợp bên trong có thể lập trình.
− Đa hợp ngõ vào lập trình từ ngõ vào của CPU với điện áp chuẩn bên trong.
− Các ngõ ra của bộ so sánh có thể truy xuất từ bên ngoài.

1.3.2.3 Các đặc tính đặc biệt của vi điều khiển
 Bộ nhớ chương trình Enhanced Flash cho phép xóa và ghi 100.000 lần.
 Bộ nhớ dữ liệu EEPROM cho phép xóa và ghi 1.000.000 lần.
 Bộ nhớ EEPROM có thể lưu giữ dữ liệu hơn 40 năm và có thể tự lập trình lại.
 Mạch lập trình nối tiếp ISP thông qua 2 chân (In - Circuit Serial Programming).
 Nguồn sử dụng là nguồn đơn 5V cấp cho mạch lập trình nối tiếp.
 Có Watchdog Timer (WDT) với bộ dao động RC tích hợp trên Chip.
 Có thể lập trình mã bảo mật.
 Có thể hoạt động ở chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng.
 Có thể lựa chọn bộ dao động.
 Có mạch điện gỡ rối ICD (In-Circuit Debug).

1.3.2.4 Chế tạo theo công nghệ CMOS
Có các đặc tính: công suất thấp, công nghệ bộ nhớ Flash/EEPROM tốc độ cao.
Điện áp hoạt động từ 2V đến 5,5V và tiêu tốn năng lượng thấp. Phù hợp với nhiệt độ
làm việc trong công nghiệp và thương mại.

17

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ LINH KIỆN LIÊN QUAN –
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG MẠCH 555 VÀ
MẠCH ĐO TẦN SỐ
Trong chương này sẽ trình bày một số linh kiện liên quan đến việc thiết kế máy
đo âm tần và mạch tạo xung sử dụng IC 555. Để sử dụng đúng chức năng của linh
kiện, chương này sẽ trình bày rõ về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của chúng. Trên sơ
sở nắm vững những kiến thức đó, chúng ta sẽ tìm hiểu về sơ đồ, nguyên lý hoạt động
mạch tạo xung sử dụng IC 555 và máy đo âm tần.

2.1 IC 78XX
Ngày nay, các vi mạch ổn áp DC tuyến tính được sử dụng rất rộng rãi do những
ưu điểm của chúng như: tích hợp toàn bộ linh kiện trong một vỏ kích thước bé, không
cần sử dụng hay chỉ sử dụng thêm một vài linh kiện ngoài để tạo mạh hoàn chỉnh,
mạch bảo vệ quá dòng và quá nhiệt có sẵn trong vi mạch… Một trong những vi mạch
ổn áp DC tuyến tính thông dụng là họ vi mạch 78XX ổn áp dương (tức tạo điện thế
đầu ra dương) và 79XX ổn áp âm (tức tạo điện thế đầu ra âm) có ba chân. Tùy theo
hình dạng vỏ ngoài mà các IC ổn áp có thể cung cấp dòng từ 100 mA đến 1 A và cho
điện áp ra cố định ở nhiều giá trị khác nhau tương ứng với mã số [7].
Bảng 2.1: Giá trị điện áp ra của một số họ IC 78XX và 79XX.
Mã số

Điện áp ra (V)

Mã số

Điện áp ra (V)

7805

5

7905

-5

7808

8

7908

-8

7809

9

7909

-9

7812

12

7912

- 12

7815

15

7915

- 15

7824

24

7924

- 24

Cách xác định chân của họ 78XX như hình 2.1.


18

Hình 2.1: Thứ tự chân của họ IC 78XX.
78XX là họ IC dùng để tạo điện áp dương đầu ra. Tùy theo IC78XX mà nó có
điện áp đầu ra là bao nhiêu. IC 78XX có 3 chân như hình trên:
 1: Input là chân đưa điện áp vào
 2 GND là chân nối masse.
 3. Output là chân đưa điện áp ra.
Khi mắc vào mạch, IC thường được mắc như sau

78XX
(79XX)
Ci

C0

Hình 2.2: Sơ đồ mạch IC78XX
Trong mạch trên, tụ C i được thêm vào khi vi mạch đặt xa nguồn chỉnh lưu và
có tác dụng lọc (khi nguồn DC chưa ổn định) để ổn định điện áp ngõ vào; C 0 có tác
dụng lọc nhiễu cao tần. Điện áp ngõ vào tối thiểu phải cao hơn điện áp ngõ ra 3V để vi
mạch vẫn hoạt động tốt.
Khi lắp IC vào mạch thì nên gắn thêm một đế tản nhiệt bằng nhôm để IC bớt
nóng khi làm việc và tăng tuổi thọ. Ngoài ra, nếu như nguồn cấp là 12VDC và mạch
cần sử dụng nguồn 5VDC thì trên lý thuyết ta có thể sử dụng trực tiếp IC7805 để hạ
xuống điện áp 5VDC. Tuy nhiên, thực tế thì sẽ khiến cho IC7805 khá nóng khi phải
làm việc lâu và giảm hiệu suất làm việc. Vì vậy, trong mạch đo tần số sử dụng 2 loại
IC là 7805 và 7809 nhằm tránh hiện tượng trên.


19

2.2 Thạch anh
Tinh thể thạch anh là loại đá trong mờ trong thiên nhiên, có thành phần cấu tạo
là Silic đioxit (SiO 2 ). Thạch anh dùng trong mạch dao động là một lát mỏng được cắt
ra từ tinh thể. Tùy theo mặt cắt mà lát thạch anh có đặc tính khác nhau. Lát thạch anh
có diện tích từ nhỏ hơn 1cm2 đến vài cm2 được mài rất mỏng, phẳng (vài mm) và 2
mặt thật song song với nhau. Hai mặt này được mạ kim loại và nối chân ra ngoài để dễ
sử dụng [3].

Hình 2.3: Hình dạng thạch anh sau khi gia công dùng trong các mạch điện tử.

Ký hiệu của thạch anh trong mạch điện
Ðặc tính của tinh thể thạch anh là tính áp

điện (piezoelectric effect).

Tức là khi ta áp một lực vào hai mặt của lát thạch anh (nén và kéo dãn) thì sẽ xuất hiện
một điện thế xoay chiều giữa hai mặt. Ngược lại, dưới tác dụng của một điện thế xoay
chiều, lát thạch anh sẽ rung ở một tần số không đổi và như vậy tạo ra một điện thế
xoay chiều có tần số không đổi. Tần số dao động của lát thạch anh tùy thuộc vào kích
thước của nó đặc biệt là độ dày, mặt cắt. Khi nhiệt độ thay đổi, tần số rung của thạch
anh cũng thay đổi theo nhưng vẫn có độ ổn định tốt hơn rất nhiều so với các mạch dao
động không dùng thạch anh (tần số dao động gần như chỉ tùy thuộc vào thạch anh mà
không lệ thuộc mạch ngoài).

2.3 LCD
2.3.1 Phân loại
Có thể chia LCD [4] làm hai loại chính như sau:
 Text LCD (loại hiển thị ký tự) có một vài kích cỡ như sau: 16x1 (16 ký tự x 1
dòng); 16x2 (16 ký tự x 2 dòng); 16x4 (16 ký tự x 4 dòng); 20x1 (20 ký tự x 1
dòng); 20x4 (20 ký tự x 4 dòng); ….


20
 Graphic LCD (loại hiển thị đồ họa) đen trắng hoặc màu, có một vài kích cỡ như
sau: 1,47 inch (128x128 điểm ảnh); 1,8 inch (128x160 điểm ảnh); 2 inch (176x220
điểm ảnh); 2,2 inch (240x320 điểm ảnh); 3,5 inch (320x240 điểm ảnh;…
Dưới dây ta sẽ khảo sát kỹ hơn về Text LCD.

2.3.2 Ý nghĩa các chân

Text LCD [4] là các loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị các dòng
chữ hoặc số trong bảng mã ASCII. Không giống các loại LCD lớn, Text LCD được
chia sẵn thành từng ô và ứng với mỗi ô chỉ có thể hiển thị một ký tự ASCII. Vì thế nên
loại LCD này được gọi là Text LCD. Mỗi ô của Text LCD bao gồm các “chấm” tinh
thể lỏng, việc kết hợp “ẩn” và “hiện” các chấm này sẽ tạo thành một ký tự cần hiển thị.
Trong các Text LCD, các mẫu ký tự được định nghĩa sẵn. Hình 2.4 là một ví dụ Text
LCD 16x2.

Hình 2.4: Text LCD
LCD 16x2 điều khiển bởi chip HD44780U của hãng Hitachi. HD44780U là bộ
điều khiển cho các Text LCD dạng ma trận điểm (dot-matrix), chip này có thể được
dùng cho các LCD có 1 hoặc 2 dòng hiển thị. HD44780U có 2 mode giao tiếp là 4 bit
và 8 bit. Nó chứa sẵn 208 ký tự mẫu kích thước font 5x8 và 32 ký tự mẫu font 5x10
(tổng cộng là 240 ký tự mẫu khác nhau).
Các Text LCD theo chuẩn HD44780U thường có 16 chân trong đó 14 chân kết
nối với bộ điều khiển và 2 chân nguồn cho “đèn LED nền”. Thứ tự các chân thường
được sắp xếp như trong bảng 2.2.


21
Bảng 2.2: Thứ tự và chức năng các chân của Text LCD.
Số thứ
tự chân

Tên

Chức năng

Trạng thái
logic

Mô tả

1

VSS

Nối đất (GND).

-

0V

2

VDD

Nguồn cho LCD.

-

+5 V

3

V0

Điều chỉnh độ
tương phản LCD.

-

0 đến VDD.

4

RS

0

D0 – D7: Thanh ghi lệnh.

1

D0 – D7: Thanh ghi dữ liệu.

5

RW

0

Ghi (từ PIC vào LCD).

1

Đọc (từ LCD vào PIC).

0

Vô hiệu hóa LCD.

1

LCD hoạt động.

Từ 1 xuống 0

Bắt đầu ghi/đọc LCD.

6

Điều khiển LCD.

E

7

D0

0/1

Bit 1.

8

D1

0/1

Bit 2.

9

D2

0/1

Bit 3.

10

D3

0/1

Bit 4.

11

D4

0/1

Bit 5.

12

D5

0/1

Bit 6.

13

D6

0/1

Bit 7.

14

D7

0/1

Bit 8.

15

A

Nguồn cho đèn nền
LCD.

-

+5 V.

16

K

Nối đất (GND).

-

0 V.

Dữ liệu/lệnh.

2.3.3 Thanh ghi và tổ chức bộ nhớ
HD44780U có 2 thanh ghi 8 bits là INSTRUCTION REGISTER (IR) và DATA
REGISTER (DR). Thanh ghi IR chứa mã lệnh điều khiển LCD và là thanh ghi “chỉ
ghi” (chỉ có thể ghi vào thanh ghi này mà không đọc được nó). Thanh ghi DR chứa các
các loại dữ liệu như ký tự cần hiển thị hoặc dữ liệu đọc ra từ bộ nhớ LCD…Cả 2 thanh
ghi đều được nối với các đường dữ liệu D0:7 của Text LCD và được lựa chọn tùy theo
các chân điều khiển RS, RW. Thực tế để điều khiển Text LCD chúng ta không cần


22
quan tâm đến cách thức hoạt động của 2 thanh ghi này, vì thế cũng không cần khảo sát
chi tiết chúng.
HD44780U có 3 loại bộ nhớ, đó là bộ nhớ RAM dữ liệu cần hiển thị DDRAM
(Didplay Data RAM), bộ nhớ chứa ROM chứa bộ font tạo ra ký tự CGROM
(Character Generator ROM) và bộ nhớ RAM chứa bộ font tạo ra các symbol tùy chọn
CGRAM (Character Generator RAM). Để điều khiển hiển thị Text LCD chúng ta cần
hiểu tổ chức và cách thức hoạt động của các bộ nhớ này.

2.3.3.1 DDRAM
DDRAM là bộ nhớ tạm chứa các ký tự cần hiển thị lên LCD, bộ nhớ này gồm
có 80 ô được chia thành 2 hàng, mỗi ô có độ rộng 8 bit và được đánh số từ 0 đến 39
cho dòng 1; từ 64 đến 103 cho dòng 2. Mỗi ô nhớ tương ứng với 1 ô trên màn hình
LCD. Như chúng ta biết LCD loại 16x2 có thể hiển thị tối đa 32 ký tự (có 32 ô hiển
thị), vì thế có một số ô nhớ của DDRAM không được sử dụng làm các ô hiển thị. Để
hiểu rõ hơn chúng ta tham khảo hình bên dưới.

Hình 2.5: Thứ tự các ô nhớ trên DDRAM.
Chỉ có 16 ô nhớ có địa chỉ từ 0 đến 15 và 16 ô địa chỉ từ 64 đến 79 là được hiển
thị trên LCD. Vì thế muốn hiển thị một ký tự nào đó trên LCD chúng ta cần viết ký tự
đó vào DDRAM ở 1 trong 32 địa chỉ trên. Các ký tự nằm ngoài 32 ô nhớ trên sẽ không
được hiển thị, tuy nhiên vẫn không bị mất đi, chúng có thể được dùng cho các mục
đích khác nếu cần thiết.

2.3.3.2 CGROM
CGROM là vùng nhớ cố định chứa định nghĩa font cho các ký tự. Chúng ta
không trực tiếp truy xuất vùng nhớ này mà chip HD44780U sẽ tự thực hiện khi có yêu
cầu đọc font để hiện thị. Một điều đáng lưu ý là địa chỉ font của mỗi ký tự vùng nhớ
CGROM chính là mã ASCII của ký tự đó. Ví dụ ký tự ‘a’ có mã ASCII là 97, tham


23
khảo tổ chức của vùng nhớ CGROM trong hình 4 bạn sẽ nhận thấy địa chỉ font của ‘a’
có 4 bit thấp là 0001 và 4 bit cao là 0110, địa chỉ tổng hợp là 01100001 = 97.
CGROM và DDRAM được tự động phối hợp trong quá trình hiển thị của LCD.
Giả sử chúng ta muốn hiển thị ký tự ‘a’ tại vị trí đầu tiên, dòng thứ 2 của LCD thì các
bước thực hiện sẽ như sau: trước hết chúng ta biết rằng vị trí đầu tiên của dòng 2 có
địa chỉ là 64 trong bộ nhớ DDRAM, vì thế chúng ta sẽ ghi vào ô nhớ có địa chỉ 64 một
giá trị là 97 (mã ASCII của ký tự ‘a’). Tiếp theo, chip HD44780U đọc giá trị 97 này và

coi như là địa chỉ của vùng nhớ CGROM, nó sẽ tìm đến vùng nhớ CGROM có địa chỉ
97 và đọc bảng font đã được định nghĩa sẵn ở đây, sau đó xuất bản font này ra các
“chấm” trên màn hình LCD tại vị trí đầu tiên của dòng 2 trên LCD. Đây chính là cách
mà 2 bộ nhớ DDRAM và CGROM phối hợp với nhau để hiển thị các ký tự. Như mô
tả, công việc của người lập trình điều khiển LCD tương đối đơn giản, đó là viết mã
ASCII vào bộ nhớ DDRAM tại đúng vị trí được yêu cầu, bước tiếp theo sẽ do
HD44780U đảm nhiệm.

2.3.3.3 CGRAM
CGRAM là vùng nhớ chứa các symbol do người dùng tự định nghĩa, mỗi
symbol được có kích thước 5x8 và được dành cho 8 ô nhớ 8 bit. Các symbol thường
được định nghĩa trước và được gọi hiển thị khi cần thiết. Vùng này có tất cả 64 ô nhớ
nên có tối đa 8 symbol có thể được định nghĩa.

2.3.4 Tập lệnh của LCD
Để có thể giao tiếp dễ dàng với LCD ta phải nắm rõ được tập lệnh và ý nghĩa
của nó. Mã lệnh của LCD được biểu diễn trong bảng 2.3.
Bảng 2.3: Tập lệnh của LCD.
Mã lệnh
Lệnh

Xóa màn
hình

RS

0

R
W

0

D7

0

D
D5 D4 D3 D2 D1 D0
6

0

0

0

0

0

0

1

Mô tả

Thời
gian
thi

hành

Xóa màn
hình, đưa con
trỏ về vị trí
đầu (address
0).

1,64
ms.


24
Đưa con
trỏ về vị
trí đầu
Thiết lập
chế độ

Bật/tắt
hiển thị

Dịch con
trỏ/ hiển
thị

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Thiết lập
chức

năng

0

0

0

0

Set
CGRAM
address

0

0

0

1

Set
DDRAM
adress

0

0

1

Read
“BUSY”
flag
Write to
CGRAM
or
DDRAM
Read
from
CGRAM
or
DDRAM

0

1

1

1

0

1

BF

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

1

I/D

D

C

x

Đưa con trỏ
về vị trí đầu
(address 0).

1,64
ms

S

Thiết lập
hướng dịch
con trỏ (I/D),
dịch hiển thị
(S).

40 µs

B

Bật/Tắt hiển
thị con trỏ;
Bật/tắt chế độ 40 µs
nhấp nháy
của con trỏ.

*

Thiết lập
chiều dịch

chuyển của
con trỏ và
hiển thị.

40 µs

*

Thiết lập độ
dài của dữ
liệu, số dòng
và font chữ.

40 µs

Thiết lập địa
chỉ CGRAM.

40 µs

DDRAM address

Thiết lập địa
chỉ DDRAM.

40 µs

CGRAM/DDRAM address

Đọc cờ báo

bận và địa chỉ
của CGRAM
hay DDRAM
(tùy vào lệnh
trước đó).

0 µs

0

1

1

DL

S/
C

N

R/
L

F

*

*

CGRAM address

Write data

Ghi dữ liệu
vào CGRAM 40 µs
hay DDRAM.

Read data

Đọc dữ liệu
vào CGRAM 40 µs
hay DDRAM.


25
Các bit viết tắt trong mã lệnh được nêu rõ trong bảng 2.4.
Bảng 2.4: Các bit viết tắt và mô tả.
Tên bit

Mô tả
0 = Giảm vị trí con trỏ.

1 = Tăng vị trí con trỏ.

S

0 = Không dịch chuyển hiển thị.

1 = Dịch chuyển hiển thị.

D

0 = Tắt hiển thị.

1 = Bật hiển thị.

C

0 = Tắt con trỏ.

1 = Bật con trỏ.

B

0 = Con trỏ không nhấp nháy.

1 = Con trỏ nhấp nháy.

S/C

0 = Di chuyển con trỏ.

1 = Dịch chuyển hiển thị.

R/L

0 = Dịch trái.

1 = Dịch phải.

D/L

0 = Chế độ 4 – bit dữ liệu.

1 = Chế độ 8 – bit dữ liệu.

N

1 dòng.

2 dòng.

F

0 = Font chữ 5x8.

1 = Font chữ 5x10.

0 = Không bận.

1 = Đang bận.

I/D

BF

2.3.5 Giao tiếp và nguyên tắc hiển thị ký tự trên LCD
LCD có hai mode giao tiếp là 4 bit và 8 bit. Ta sẽ lần lượt tìm hiểu về cách sử
dụng cũng như ưu – nhược điểm của hai mode này.

- Mode 8 bit: Để sử dụng mode 8 bit, tất cả các lines dữ liệu của LCD từ D0
đến D7 (từ chân 7 đến chân 14) phải được nối với một PORT (gồm 8 chân) của vi điều
khiển bên ngoài. Ưu điểm của phương pháp giao tiếp này là dữ liệu được ghi và đọc
rất nhanh và đơn giản vì chip điều khiển chỉ cần xuất hoặc nhận dữ liệu trên 1 PORT.
Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là tổng số chân dành cho giao tiếp LCD
quá nhiều, nếu tính luôn cả 3 chân điều khiển thì cần đến 11 đường cho giao tiếp LCD.
- Mode 4 bit: LCD cho phép giao tiếp với bộ điều khiển ngoài theo chế độ 4
bit. Trong chế độ này, các chân D0, D1, D2 và D3 của LCD không được sử dụng (để
trống), chỉ có 4 chân từ D4 đến D7 được kết nối với vi điều khiển bên ngoài. Các
instruction và data 8 bit sẽ được ghi và đọc bằng cách chia thành 2 phần, gọi là các
nibbles, mỗi nibble gồm 4 bit và được giao tiếp thông qua 4 chân D7:4, nibble cao
được xử lí trước và nibble thấp sau. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này tối thiểu
số lines dùng cho giao tiếp LCD, nếu tính luôn cả 3 chân điều khiển thì chỉ cần 7