Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát bật tắt thiết bị điện trong nhà sử dụng sóng RF

LỜI CẢM ƠN
Thời gian qua, bằng sự nỗ lực tìm hiểu và sự hướng dẫn tận tình tỉ mỉ của
các thầy hướng dẫn em đã hoàn thành nội dung đề tài tốt nghiệp của mình. Em
xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô khoa Điện - Điện Tử, đặc biệt là quý thầy cô
thuộc bộ môn Điện Tử Viễn Thông, những người đã truyền đạt cho em những
kiến thức cơ sở và chuyên ngành bổ ích trong thời gian học tập tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Ngô Xuân Hường và thầy Vũ
Xuân Hậu đã trực tiếp hướng dẫn em thực hiện và tạo điều kiện tốt nhất cho em
hoàn thành tốt đề tài này. Cũng đồng thời cảm ơn các bạn trong lớp đã trao đổi,
góp ý cho tôi trong thời gian qua.
Tuy đã có nhiều cố gắng, nhưng do kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế
nên đề tài của em không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự
thông cảm, góp ý từ Quý thầy cô và các bạn sinh viên để đồ án tốt nghiệp của
em đươc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên
Vũ Hoàng Sơn

111
1

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan về nội dung được đưa ra trong đồ án này dựa trên các kết
quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng, không sao chép bất kỳ kết
quả nghiên cứu nào của các tác giả nào khác.Một số nội dung được tham khảo từ
nhủng nguồn công khai hoặc được thu thập và khai thác khi có sự cho phép của
tác giả.Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu vi phạm quyền tác giả.
Sinh viên

Vũ Hoàng Sơn

222
2

2


MỤC LỤC

333
3

3


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 2.1 Chức năng các chân của modul thu phát

6

Bảng 2.2 Tóm tắt các tốc độ mà SPI trong AVR có thể đạt

10

Bảng 2.3 Chức năng chân LCD 16x2

16

Bảng 2.4 Tập lệnh LCD 16x2

17

444
4

4


DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hình

Tên hình

Hình 2.1

Ảnh thực tế modul LRF24L01

4

Hình 2.2

Sơ đồ khối nRF24L01

5

Hình 2.3

Sơ đồ kết nối vi điều khiển

6

Hinh 2.4

Giao diện SPI

8

Hình 2.5

Truyền dữ liệu SPI

8

Hình 2.6

Sơ đồ chân Atmega16 loại dán

14

Hình 2.7

Hình dạng và sơ đồ chân LCD 16x2

15

Hình 2.8

IC đệm uln 2803

18

Hình 2.9

LM 7805

18

IC lm 7805

19

Relay

19

Hình ảnh các tụ điện thự tế

20

Hình ảnh một loại điện trở

20

Led đơn

21

Hình 3.1

Sơ đồ khối hệ thống

23

Hình 3.2

Sơ đồ khối một trạm

24

Hình 3.3

Sơ đồ nguồn cung cấp

25

Hình
2.10
Hình
2.11
Hình
2.12

Hình
2.13
Hình
2.14

Trang

555
5

5


Hình 3.4

Sơ đồ kết nối với modul thu phát 24L01

25

Hình 3.5

Sơ đồ khối điều khiển

26

Hình 3.6

Mạch Reset vi điều khiển

27

Hình 3.7

Mạch kết nối thạch anh cho vi điều khiển

27

Hình 3.8

Sơ đồ nguyên lý khối chấp hành

28

Hình 3.9

Sơ đồ khối hiển thị

29

Sơ đồ nguyên lý của một trạm.

30

Mạch in lớp bottom

32

Mạch in lớp top

32

Chương trình chính

33

Chương trình quét nút cài đặt thiết bị

36

Chương trình quét nút điều khiển

37

Chương trình của timer

39

Chương trình hiển thị trạng thái các trạm

40

Hình 4.1

Hình ảnh sản phẩm

42

Hinh 4.2

Ảnh test sản phẩm

43

Hình
3.10
Hình
3.11
Hình
3.12
Hình
3.13
Hình
3.14
Hình
3.15
Hình
3.16
Hình
3.17

666
6

6


LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ, đã đáp ứng được
những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến những
nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hằng ngày, đem lai cho con

người cuộc sống tiện lợi và vui vẻ hơn. Một trong những ứng dụng đang ngày
càng được quan tâm chú trọng phát triển của ngành công nghệ điện tử là điều
khiển và giám sát các thiết bị từ xa. Xuất phát từ những lợi ích lớn lao và hiệu
quả mà công nghệ điều khiển từ xa mang lại kết hợp với chuyên ngành điện tử
mà em đã được học ở trường lớp em đã quyết định chọn đây là hướng nghiên
cứu cho đề tài tốt nghiệp của em. Với sự tư vấn của thầy Ngô Xuân Hường và
thầy Vũ Xuân Hậu em đã chọn cho mình đề tài tốt nghiệp là:”Thiết kế hệ thống
điều khiển và giám sát bật tắt thiết bị điện trong nhà sử dụng sóng RF ”.
Nội Dung đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Chương 2: Tìm hiểu về các linh kiện được sử dụng trong bài
Chương 3: Thiết kế hệ thống và thi công mạch
Chương 4: Tổng kết
Quá trình nghiên cứu đề tài này giúp em hiểu rõ hơn về nguyên lý thu phát
và ứng dụng những lý thuyết được học vào thực tế đồng thời tìm hiểu thêm được
những điều chưa được học và nâng cao kỹ năng thực hành cũng như là những
ứng dụng của mạch trong thực tế. Tuy đã cố gắng thực hiện đồ án trong sự
nghiêm túc và trách nhiệm nhất, nhưng do khả năng nghiên cứu cũng như kiến
thức bản thân còn nhiều hạn chế nên đề tài tốt nghiệp của em không thể tránh
khỏi những sai phạm và thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng
góp tích cực từ quý thầy cô và các bạn.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới toàn thể
quý Thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử, và nhất là quý Thầy cô thuộc bộ môn
Điện Tử Viễn Thông đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho em
trong thời gian vừa qua.
Sinh viên
Vũ Hoàng Sơn

777
7

7


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Các loại điều khiển từ xa
-Trong cuộc sống hiện đại, những thiết bị điều khiển từ xa để điều khiển
các thiết bị gia đình như đóng mở cửa, ti vi, quạt ,máy điều hòa… là rất cần
thiết, vậy điều khiển từ xa có các loại cơ bản nào và chúng hoạt động ra sao để
điều khiển được các vật dụng ở đằng xa một cách chính xác?
-Ban đầu, người ta dùng điều khiển từ xa sử dụng công nghệ tần số vô
tuyến RF (Radio Frequency) và sau đó bắt đầu ứng dụng công nghệ hồng ngoại
IR(Infrared Remote) vào điều khiển từ xa và cho đến ngày nay thì con người sử
dụng cả hai loại này như một tiện ích không thể thiếu. Dù có chức năng như
nhau nhưng chúng cũng có những điểm khác nhau căn bản.
1.1.1 Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại (IR)
-Với loại điều khiển này, nó lại sử dụng ánh sáng hồng ngoại của quang
phổ điện từ mà mắt thường không thấy được để chuyển tín hiệu đến thiết bị cần
điều khiển. Nó đóng vai trò như một bộ phát tín hiệu, sẽ phát ra các xung ánh
sáng hồng ngoại mang một mã số nhị phân cụ thể . Bộ phận thu tín hiệu hồng
ngoại trên thiết bị được điều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó.
-Đặc điểm của loại điều khiển này la chúng rất bền, tuy nhiên lại có hạn
chế là chỉ truyền theo đường thẳng do bản chất của ánh sáng. Do đó, loại điều
khiển IR có tầm hoạt động chỉ có khoảng 10 mét và cũng không thể truyền qua
các bức tường hoặc vòng qua các góc. Chúng chỉ hoạt động tốt khi ta trỏ thẳng
hay gần vị trí bộ thu của vật dụng cần điều khiển.
-Ngoài ra, nguồn ánh sáng hồng ngoại có ở khắp nơi như ánh sáng mặt
trời, bóng đèn huỳnh quang, từ cơ thể con người… nên có thể làm cho điều
khiển IR bị nhiễu sóng.
8

1.1.2 Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF)
-Một chiếc điều khiển RF sẽ gồm các bộ phận cơ bản như: Các nút
bấm; một bảng mạch tích hợp; các núm tiếp điểm; bộ phận thu hoặc phát sóng
RF hoặc cả thu và phát sẽ được tích hợp trên cùng một mạch và thường chúng sẽ
được đóng trong một hộp một cách cẩn thận để tăng tính thẩm mỹ của sản phẩm.
-Đây là loại điều khiển từ xa xuất hiện đầu tiên và đến nay vẫn giữ một
vai trò quan trọng và phổ biến trong đời sống. Nếu điều khiển IR thường chỉ
dùng trong nhà do một số hạn chế về cự ly, vật cản thì điều khiển RF lại có thể
dùng được cho cả trong nhà và cho nhiều vật dụng bên ngoài như các thiết bị mở
cửa gara xe, hệ thống báo hiệu cho xem các loại đồ chơi điện tử từ xa thậm chí
kiểm soát vệ tinh và các hệ thống máy tính xách tay và điện thoại thông minh…
-Nó cũng sử dụng nguyên lý tương tự như điều khiển IR nhưng thay vì
gửi đi các tín hiệu ánh sáng, thì nó lại truyền đi sóng vô tuyến tương ứng với các
lệnh nhị phân để chuyển tín hiệu đến thiết bị cần điều khiển. Khi ta ấn một nút
phía bên ngoài thì sẽ vận hành một chuỗi các hoạt động khiến các thiết bị cần
điều khiển sẽ thực hiện lệnh của nút bấm đó.
Về phía bộ phận cần điều khiển, nó sẽ cần một bộ thu sóng vô tuyến. Sau khi đã
xác minh mã địa chỉ này xuất phát đúng từ chiếc điều khiển của mình, chúng sẽ
giải mã các sóng vô tuyến thu được thành các dữ liệu nhị phân để bộ vi xử lý
của thiết bị có thể hiểu được và thực hiện các lệnh tương ứng.
-So với loại điều khiển IR, lợi thế của loại này là phạm vi truyền tải rộng,
có thể sử dụng cách thiết bị cần điều khiển đến hơn 30 mét đồng thời có thể điều
khiển xuyên tường, kính…
Tuy nhiên, nó cũng có hạn chế đó là tín hiệu vô tuyến cũng có mặt khắp nơi
trong không gian do hàng trăm loại máy móc thiết bị dùng các tín hiệu vô tuyến
9

tại các tần số khác nhau. Do đó, người ta tránh nhiễu sóng bằng cách truyền ở
các tần số đặc biệt và nhúng mã kỹ thuật số địa chỉ của thiết bị nhận trong các
tín hiệu vô tuyến. Điều này giúp bộ thu vô tuyến trên thiết bị hồi đáp tín hiệu
tương ứng một cách chính xác. Để hiểu rõ hơn về loại này em xin trình bày thêm
một số vấn đề sau.

1.2 Sóng RF
1.2.1 Cách tạo ra sóng RF
-Trong thực tế người ta cần những sóng dạng sin có tần số cao và tần số
phải thuần nhất và khống chế được. Để có loại sóng này dùng trong "điều khiển
vô tuyến", khởi đầu người ta dùng mạch dao động cộng hưởng LC, nó được kết
nối bởi một cuộn dây và một tụ điện, khi mạch LC bị kích thích, trong cuộn dây
sẽ xuất hiện từ trường và trong tụ điện sẽ xuất hiện điện trường, khi vào trạng
thái cộng hưởng, từ trường trong cuộn dây L và điện trường trong tụ C sẽ kết
hợp tạo ra dạng sóng điện từ trường. Sau đó chỉ cần dùng dây anten cho sóng
trong mạch LC phát vào không gian, chúng ta đã có tia sóng dùng cho công việc
điều khiển vô tuyến.
1.2.2 Phương thức điều khiển vô tuyến
Người ta tạo các mã lệnh điều khiển, gắn các mã lệnh điều khiển này vào
sóng mang bằng các phương pháp điều chế rồi phát chúng vào không gian.Đây
chính là cách điều khiển các thiết bị bằng sóng vô tuyến và nó được thực hiện
như sau:
Bước 1: Ở bên phát: Người ta dùng mạch cộng hưởng LC tạo ra sóng có tần số
ổn định dùng làm sóng mang. Dùng mạch tạo ra tín hiệu mã lệnh và cho mã lệnh
điều chế vào sóng mang rồi cho phát vào không gian.
10


Bước 2: Ở bên thu: Người ta dùng mạch LC làm bẩy sóng để bắt thu sóng điện
từ có trong không gian, nó đã được phát ra từ bên phát, cho giải mã để lấy ra tín

hiệu mã lệnh có trong sóng mang và dùng tín hiệu này để điều khiển các thiết bị.

CHƯƠNG 2:
TÌM HIỂU VỀ CÁC LINH KIỆN SỬ DUNG TRONG BÀI
2.1 Sơ lược về module thu phát RF nRF24L01

Hình 2.1 Ảnh thực tế modul LRF24L01
2.1.1 Thông số kỹ thuật:

11

•

Hoạt động ở giải tần 2.4G

•

Có 126 kênh

•

Truyền và nhận dữ liệu

•

Truyền tốc độ cao 1Mbps hoặc 2Mbps.

•

Sử dụng phương thức điều chế GFSK.

•

Công suất phát:

•

Có thể cài đặt được 4 công suất nguồn phát: 0,-6,-12,-18dBm.

•

Thu: Có bộ lọc nhiễu tại đầu thu


•

Nguồn cấp: Hoạt động từ 1.9-3.6V.

•

Các chân IO chạy được cả 3.3 lẫn 5V.

•

Giao tiếp:4 pin SPI

•

Các chân kéo ra trên module: VCC, CE, CSN, SCK, MOSI, MISO, IRQ,
GND.

•

Tốc độ tối đa 8Mbps

•

3-32 bytes trên 1 khung truyền nhận

Hình 2.2 Sơ đồ khối nRF24L01
2.1.2 Phân tích:
-Modul nRF24L01 hoạt động ở tần số sóng ngắn nên có khả năng truyền dữ liệu
tốc độ cao và truyền nhận dữ liệu trong điều kiện môi trường có vật cản
-Modul nRF24L01 có 126 kênh nên ta có thể truyền nhận dữ liệu trên nhiều
kênh khác nhau.
- Modul khả năng thay đổi công suất phát bằng chương trình, điều này giúp nó
có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng.

12


- Một điểm chú ý của modul này là nguồn hoạy động là 1.9V-3.6V nhưng
thường cung cấp là 3.3V. Các chân IO tương thích với chuẩn 5V điều này giúp
nó giao tiếp rộng dãi với các dòng vi điều khiển.

Hình 2.3 Sơ đồ kết nối vi điều khiển:
Bảng 2.1: Chức năng các chân của modul thu phát
VCC
GND
CE

CSN
MOSI
MISO
SCK
IRQ

Power input 3.3 V
Chân nối đất
Mức thấp: tải dữ liệu lên radio hoặc copy một gói tin nhận được.
Mức cao: thiết lập radio sang Mode receive/transmit
Nó được đưa về mức thấp để bắt đầu giao tiếp SPI
Đưa về mức cao để hoàn tất giao dịch
Dữ liệu nối tiếp được truyền từ Master (MCU) qua chân này tới
Slave (nRF24L01)
Dữ liệu nối tiếp được truyền từ Slave (nRF24L01) qua chân này
tới Master (MCU)
Xung clock giao tiếp SPI
Yêu cầu ngắt, radio điều khiển chân này về mức thấp để kích hoạt
interrupt.

Để hiểu rõ hơn về cách giao tiếp giũa vi điều khiển và modul nRF24l01
qua chuẩn SPI thì em xin được giới thiệu vài điều cơ bản về chuẩn giao tiếp này.
13


2.1.3 Chuẩn truyền thông SPI.
- “SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao.
Đây là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối quá
trình tuyền thông và các chip Slaves được điều khiển bởi Master vì thế truyền
thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền song công (full

duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra
đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường
giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave
Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select)”.
SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên
cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi. Sự
tồn tại của chân SCK giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của
SPI có thể đạt rất cao. Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master.
MISO – Master Input / Slave Output : Nếu là chip Master thì đây là đường
Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các
Slaves được nối trực tiếp với nhau.
MOSI – Master Output / Slave Input: Nếu là chip Master thì đây là đường
Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input. MOSI của Master và các Slaves
được nối trực tiếp với nhau.
SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave
đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đường SS của
một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và
Slave đó. Chỉ có 1 đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều
khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng. Hình ảnh dưới đây
thể hiện một kết SPI giữa một chip Master và 3 chip Slave thông qua 4 đường.

14


.
Hình 2.4. Giao diện SPI.
Hoạt động: Mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bít. Cứ
mỗi xung nhịp do Master tạo ra trên đường giữ nhịp SCK, một bit trong thanh
ghi dữ liệu của Master được truyền qua Slave trên đường MOSI, đồng thời một
bit trong thanh ghi dữ liệu của chip Slave cũng được truyền qua Master trên

đường MISO. Do 2 gói dữ liệu trên 2 chip được gởi qua lại đồng thời nên quá
trình truyền dữ liệu này được gọi là “song công”. Hình 2 mô tả quá trình truyền
1 gói dữ liệu thực hiện bởi module SPI trong AVR, bên trái là chip Master và
bên phải là Slave.

15


Hình 2.5 Truyền dữ liệu SPI.
Truyền thông SPI trên AVR. “Module SPI trong các chip AVR gần như
giống hoàn toàn với chuẩn SPI mô tả trong phần trên. Các chân giao tiếp SPI
cũng chính là các chân PORT thông thường, vì thế nếu muốn sử dụng SPI chúng
ta cần xác lập hướng cho các chân này. Khi chip AVR được sử dụng làm Slave,
bạn cần set các chân SCK input, MOSI input, MISO output và SS input. Nếu là
Master thì SCK output, MISO output, MOSI input và khi này chân SS không
quan trọng, chúng ta có thể dùng chân này để điều khiển SS của Slaves hoặc bất
kỳ chân PORT thông thường nào. SPI trên AVR được vận hành bởi 3 thanh ghi
bao gồm thanh ghi điều khiển SPCR , thanh ghi trạng thái SPSR và thanh ghi dữ
liệu SPDR.”
SPCR (SPI Control Register): là 1 thanh ghi 8 bit điều khiển tất cả hoạt
động của SPI.

* Bit 7- SPIE (SPI Interrupt Enable). Bit cho phép ngắt SPI. Nếu bit này
được set bằng 1 và bit I trong thanh ghi trạng thái được set bằng 1 (sei), 1 ngắt
16


sẽ xảy ra sau khi một gói dữ liệu được truyền hoặc nhận. Chúng ta nên dùng
ngắt (nhất là đối với chip Slave) khi truyền nhận dữ liệu với SPI.
* Bit 6 – SPE (SPI Enable). Set bit này lên 1 để cho phép bộ SPI hoạt động.

Nêu SPIE=0 thì modul SPI dừng hoạt động.
* Bit 5 – DORD (Data Order). Bit này chỉ định thứ tự dữ liệu các bit được
truyền và nhận trên các đường MISO và MOSI, khi DORD=0 bit có trọng số lớn
nhất của dữ liệu được truyền trước (MSB) ngược lại khi DORD=1, bit LSB
được truyền trước. Khi giao tiếp giữa 2 AVR với nhau, thứ tự này không quan
trọng nhưng phải đảm bảo các bit DORD giống nhau trên cả Master và Slaves.
* Bit 4 – MSTR (Master/Slave Select). Nếu MSTR =1 thì chip được nhận
diện là Master, ngược lại MSTR=0 thì chip là Slave.
* Bit 3 và 2 – CPOL và CPHA. Đây chính là 2 bit xác lập cực của xung giữ
nhịp và cạnh sample dữ liệu mà chúng ta đã khảo sát trong phần đầu. Sự kết hợp
2 bit này tạo thành 4 chế độ hoạt động của SPI. Một lần nữa, chọn chế độ nào
không quan trọng nhưng phải đảm bảo Master và Slave cùng chế độ hoạt động.
Vì thế có thể để 2 bit này bằng 0 trong tất cả các chip
* Bit 1:0 – CPR1:0. Hai bit này kết hợp với bit SPI2X trong thanh ghi SPSR
cho phép chọn tốc độ giao tiếp SPI, tốc độ này được xác lập dựa trên tốc độ
nguồn xung clock chia cho một hệ số chia. Bảng 1 tóm tắt các tốc độ mà SPI
trong AVR có thể đạt. Thông thường, tốc độ này không được lớn hơn 1/4 tốc độ
xung nhịp cho chip.
Bảng 2.2 Tóm tắt các tốc độ mà SPI trong AVR có thể đạt

17


SPSR (SPI Status Register): là 1 thanh ghi trạng thái của module SPI.
Trong thanh ghi này chỉ có 3 bit được sử dụng. Bit 7 – SPIF là cờ báo SPI, khi
một gói dữ liệu đã được truyền hoặc nhận từ SPI, bit SPIF sẽ tự động được set
len 1. Bit 6 – WCOL là bít báo va chạm dữ liệu (Write Colision), bit này được
AVR set lên 1 nếu chúng ta cố tình viết 1 gói dữ liệu mới vào thanh ghi dữ liệu
SPDR trong khi quá trình truyền nhận trước chưa kết thúc. Bit 0 – SPI2X gọi là
bit nhân đôi tốc độ truyền, bit này kết hợp với 2 bit SPR1:0 trong thanh ghi điều

khiển SPCR xác lập tốc độ cho SPI.

SPDR (SPI Data Register): là thanh ghi dữ liệu của SPI. Trên chip
Master, ghi giá trị vào thanh ghi SPDR sẽ kích quá trình tuyền thông SPI. Trên
chip Slave, dữ liệu nhận được từ Master sẽ lưu trong thanh ghi SPDR, dữ liệu
được lưu sẵn trong SPDR sẽ được truyền cho Master.
Sử dụng SPI trên AVR: “Vận hành SPI trên AVR được thực hiện dựa trên
việc ghi và đọc 3 các thanh ghi SPCR, SPSR và SPDR. Trước khi truyền nhận
18


bằng SPI chúng ta cần khởi động SPI, quá trình khởi động thường bao gồm chọn
hướng giao tiếp cho các chân SPI, chọn loại giao tiếp: Master hay Slave, chọn
chế độ SPI (SPOL, SPHA) và chọn tốc độ giao tiếp. Truyền thông SPI luôn
được khởi xướng bởi chip Master, khi Master muốn giao tiếp với 1 Slave nào
đó, nó sẽ kéo chân SS của Slave xuống mức thấp (gọi là chọn địa chỉ) và sau đó
viết dữ liệu cần truyền vào thanh ghi dữ liệu SPDR, khi dữ liệu vừa được viết
vào SPDR xung giữ nhịp sẽ được tự động tạo ra trên SCK và quá trình truyền
nhận bắt đầu. Đối với các chip Slave, khi chân SS bị kéo xuống nó sẽ sẵn sàng
cho quá trình truyền nhận. Khi phát hiện xung giữ nhịp trên SCK, Slave sẽ bắt
đầu sample dữ liệu đến trên đường MOSI và gởi dữ liệu di trên MISO”.
2.2 Vi Điều Khiển ATEMEGA 16
2.2.1 Giới thiệu AVR:
- “Vi điều khiển AVR do hãng Atmel ( hoa kỳ ) sản xuất được giới thiệu
lần đầu tiên năm 1996. AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny
( như At tiny 13, At tiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi ,
rồi đến dòng AVR ( chẳng hạn AT90S8535, AT90S8515…) có kích thước bộ
nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn là dòng Mega ( như ATmega 16, Atmega
32, ATmega 128…..) với bộ nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng
với bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp cả bộ LCD trên chip ( dòng LCD AVR).

Tốc độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác. Sự khác nhau cơ bản
giữa các đòng chính là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau.
- ATmega16 là một lọai Vi điều khiển có nhìều tính năng đặc biệt thích
hợp cho việc giải quyết những bài tóan điều khiển trên nền vi xử lý.”
2.2.2 Các tính năng của Atmega16 :
- ATmega16 là vi điều khiển 8bit với khả năng thực hiện mỗi lệnh trong vong
một chu kỳ xung clock, các lệnh được xử lý nhanh hơn,tiêu thụ năng lượng thấp.
o 130 lệnh thực thi trong vòng 1 chu kì chip
o Hỗ trợ 16 MIPS khi hoạt động ở tần số 16 MHz
19


o Tích hợp bộ nhân 2 thực hiện trong 2 chu kì chip
- Bộ nhớ chương trình và dữ liệu không bay hơi
o 16k byte trong hệ thống flash khả trình có thể nạp và xóa 1,000 lần
o Tùy chọn khởi động phần mã với các bit nhìn độc lập trong hệ thống
bằng cách vào chương trình khởi động chip
o 512 byte EEPROM có thể ghi và xóa 100,000 lần
o 1k byte ram nhớ tĩnh trong
o Lập trình khóa cho phần mềm bảo mật
- Tính năng ngoại vi
○ 2 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với các chế độ đếm riêng rẽ và kiểu so sánh
○ 1 bộ định thời/bộ đếm 16 bit với các chế độ đếm riêng rẽ, kiểu so sánh
và kiểu bắt sự kiện
○ 8 kênh ADC 10 bit
○ Giao tiếp USART nối tiếp khả trình
○ Giao tiếp SPI nối tiếp
○ Bộ định thời khả trình giám sát xung nhịp của chip 1 cách riêng rẽ
○ Tích hợp bộ so sánh tín hiệu tương tự
- Các tính năng đặt biệt của vi điều khiển

○ Chế độ bật nguồn reset và phát hiện Brown-out khả trình
○ Tích hợp mạch dao động RC bên trong
○ Các ngắt trong và ngoài
○ 6 chế độ nghỉ : rảnh rỗi, giảm nhiễu ADC, tiết kiệm năng lượng, nguồn
thấp, Standby và Extended Standby
- Vào/ra
○ 40 chân loại thường và 44 chân loại dán.Trong đó có 32 chân vào ra khả
trình
- Điện áp sử dụng
○ 2.7 – 5.5V dùng với atmega16L
○ 4.5 – 5.5V dùng với atmega16
20


- Tốc độ xung nhịp dùng cho chip
○ 0 – 8 MHz cho atmega16L
○ 0 – 16 MHz cho atmega16
- Tiêu hao năng lượng:
○ Khi họat động tiêu thụ dòng 1,1mA
○ Ở mode Idle tiêu thụ dòng 0.35mA
○ Ở chế độ Power_down tiêu thụ dòng nhỏ hơn 1uA

Hình 2.6 Sơ đồ chân Atmega16 loại dán
- Chân 4 : RESET để đưa chip về trạng thái ban đầu. Khi cấp điện mạch phải tự
động reset.
- Chân 5,17,38 : VCC cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển
- Chân 6,18,28,39 : GND các chân này được nối chung với đất
21

- Chân 7,8 : 2 chân XTAL2 và XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bên ngoài vào
chip
- Chân 9 đến 16, chân 19 đến 26, chân 1 đến 3 và 41 đến 44 : Lần lượt là các
cổng nhập xuất dữ liệu song song D( PORTD ), C( PORTC ), B ( PORTB),nó
có thể được sử dụng cho các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu
- Chân 27 : AVCC cấp điện áp so sánh cho bộ ADC
- Chân 29 : AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC
- Chân 30 đến 37 : Cổng vào ra dữ liệu song song A ( PORTA ).Bên trong có
sẵn các điện trở kéo, khi PORTA là output thì các điện trở kéo ko hoạt động, khi
PORTA là input thì các điện trở kéo được kích hoạt. Ngoài ra nó còn đc tích hợp
bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC
- Các chân 1,2,3,4: Được dùng để làm các chân cho mục đích nạp chương trình.
2.3 LCD 16x2
LCD là từ viết tắt của Liquid Crystal Display (màn hình tinh thể lỏng). Có
nhiều loại màn hình LCD với các kích cỡ khác nhau, ví dụ như LCD 16x1 (16
cột và 1 hàng), LCD 16x2 (16 cột và 2 hàng), LCD 20x2 (20 cột và 2 hàng)…
Trong đồ án này em sử dụng loại LCD 16x2- loại bán phổ biến trên thị trường.

Hình 2.7 Hình dạng và sơ đồ chân LCD 16x2
Dưới đây là các bảng thể hiện chức năng các chân và tập các mã lệnh
thường được sử dụng với àn hình lcd 16x2.
22


Bảng 2.3 Chức năng chân LCD 16x2

23

Chân

Kí hiệu

I/O

Chức năng

1

VSS

-

Nguồn (GND)

2

VCC

-

Nguồn (+5V)

3

VEE

-

Chỉnh độ tương phản

4

RS

I

0 = nhập lệnh
1= nhập dữ liệu

5

RW

I

0 = ghi dữ liệu
1= đọc dữ liệu

6

E

I/O

Tín hiệu cho phép

7

D0

I/O

Bus dữ liệu 0

8

D1

I/O

Bus dữ liệu 1

9

D2

I/O

Bus dữ liệu 2

10

D3

I/O

Bus dữ liệu 3

11

D4

I/O

Bus dữ liệu 4

12

D5

I/O

Bus dữ liệu 5

13

D6

I/O

Bus dữ liệu 6


14

D7

I/O

Bus dữ liệu 7

15

A

-

Nguồn đèn LCD (+5V)

16

K

-

Nguồn đèn LCD (GND)

Bảng 2.4 Tập lệnh LCD 16x2
Mã (HEX)

24

Lệnh thanh ghi LCD 16x2

1

Xóa màn hình hiển thị

2

Trở về đầu dòng

4

Giảm con trỏ (dịch con trỏ sang trái)

6

Tăng con trỏ (dịch con trỏ sang phải)

5

Dịch hiển thị sang phải

7

Dịch hiển thị sang trái

8

Tắt con trỏ, tắt hiển thị

A

Tắt hiển thị, bật con trỏ

C

Bật hiển thị, tắt con trỏ

E

Bật hiển thị, nhấp nháy con trỏ

F

Tắt con trỏ, nhấp nháy con trỏ

10

Dịch vị trí con trỏ sang trái

14

Dịch vị trí con trỏ sang phải

18

Dịch toàn bộ hiển thị sang trái


1C

Dịch toàn bộ hiển thị sang phải

80

Ép con trỏ về đầu dòng thứ nhất

C0

Ép con trỏ về đầu dòng thứ hai

38

Hai dòng và ma trận 5x7

2.4 IC đệm

Hình 2.8 IC đệm uln 2803
Đăc điểm của ic 2803:
- Nó đệm được 8 đường riêng biệt (nối trược tiếp được với 8 chân của vi điều
khiển 5V)
- Dòng ra tới 500 mA/ 50 V đủ để kích các Relay
- Các chân 1 -8 -> chân 11 -18
Nếu đầu vào là 0 -> đầu ra thả nổi
Nếu đầu vào là 1 -> đầu ra là 0
- Chân 9 nối GND, chân 10 nối VCC, khi nối Vcc thì nó tương tự 8 con diode
ngược của 8 relay, mục đích diode ngược là để xả dòng cuộn dây của relay khi
relay chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái đóng (áp phóng của cuộn dây có
thể lên gấp 2 đến 3 lần Vcc, rất nguy hiểm cho mạch)
2.5 IC tạo điện áp chuẩn


25

LM 7805