KIT 89Cxx ứng dụng trong giảng dạy
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (23.36 MB, 85 trang )
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
BẢN NHẬN XÉT
ĐỒ ÁN MÔN HỌC CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Tên đề tài: “ Nghiên cứu, chế tạo KIT 89Cxx ứng dụng trong giảng dạy”
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Hưng Yên, ngày
tháng 03 năm 2010
Giáo viên hướng dẫn
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Lời nói đầu
Ngày nay, trước sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ thì việc
ứng dụng các thành tựu của nó vào cuộc sống của con người cảng phổ biến.
Theo một cuốn sách trắng của công ty Sun Mirciystems công bố và đưa ra dự
đoán trung bình sẽ có khoảng 100 vi điều khiển sẽ thực hiện các công việc như:
điều khiển hệ thống điện thoại số, điều khiển hệ thống điều hoà không khí, lò vi
sóng, điều khiển từ xa cho máy thu hình, hệ thống bảo vệ gia đình, hệ thống điều
khiển đèn giao thông, thiết bị hỗ trợ cá nhân PAD… Một con số khổng lồ các vi
điều khiển và vi xủ lý được sử dụng rộng dãi trong các đồ gia dụng. Bên cạnh
các ứng dụng trong gia đình một lĩnh vực khác cũng kích động sự tăng trưởng
của vi điều khiển là trong thương mại điện tử và trong lĩnh vực sản xuất. Vi xủ
lý ngày càng chiếm ưu thế hơn so với các bộ điều khiển khác. Tính ưu việt của
nó được thể hiện:
- Dễ dàng sử dụng trong các thiết bị điện tử hoặc hệ thống điện tử số.
- Chi phí nâng cấp thấp và cần rất ít linh kiện trong việc bảo hành bảo dưỡng.
- Mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của
môn vi điều khiển nói riêng và của ngành điện tử nói chung. Chúng em trong quá
trình học tập và tim hiểu với sự dạy bảo của các thầy cô giáo và sự hướng dẫn
giúp đỡ nhiệt tình của thầy Bùi Văn Dân chúng em được giao cho đề tài :”
Nghiên cứu, chế tạo kít 89Cxx ứng dụng trong giảng dạy “ là đề tài đồ án môn
học của chúng em.
Với nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài
được giao. Nhưng sự phát triển của khoa học là vô cùng, vì vậy chúng em rất
mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo,các bạn sinh viên và những ai
yêu thích say mê với khoa học kỹ thuật và những yêu cầu của các nhà doanh
nghiệp nhằm phát triển và làm cho chương trình ngày càng hoàn thiện hơn.
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
2
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
MỤC LỤC
BẢN NHẬN XÉT...................................................................................................1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN.......................................1
Lời nói đầu...............................................................................................................2
MỤC LỤC...............................................................................................................3
Chương1. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA BỘ THỰ HÀNH (KIT)...........11
1.1.MỤC ĐÍCH................................................................................................11
1.2.YÊU CẦU THIẾT KẾ KIT VI ĐIỀU KHIỂN PHỤC VỤ THỰC HÀNH
12
1.2.1. Phần cứng........................................................................................12
1.2.2 Các thành phần của bộ thực hành....................................................12
1.2.3. Các bài thí nghiệm thực hành trên bộ KIT.....................................12
Chương 2. THIẾT KẾ KIT VI ĐIỀU KHIỂN.................................................14
2.1.CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.............................................................14
2.2.XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI CỦA KIT.....................................................14
Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ KIT vi điều khiển...............................................14
2.3.THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN TỪNG KHỐI........................15
2.3.1 Khối xử lý trung tâm CPU...............................................................15
2.3.1.1. Chức năng................................................................................15
2.3.1.2. Phân tích yêu cầu chọn linh kiện và tính toán.........................16
Hình 2.3.1.2: Cấu tạo chân BUS.......................................................................17
Hình 2.3.1.3: Cấu tạo Switch điều khiển..........................................................17
Bảng 2.3.1.4: Cấu tạo Switch điều khiển..........................................................17
2.3.2. Khối ma trận bàn phím 4x4............................................................17
2.3.2.1. Chức năng................................................................................17
2.3.2.2. Thiết kế mạch ma trận bàn phím.............................................18
Hình 2.3.2.2: Sơ đồ nguyên lý Ma trận bàn phím 4x4.....................................18
2.3.3. Khối hiển thị LCD...........................................................................18
2.3.3.1. Chức năng................................................................................18
2.3.3.2. Phân tích yêu cầu lựa chọn linh kiện.......................................18
2.3.3.3. Tính toán thiết kế.....................................................................19
Hình 2.3.3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD..........................................20
2.3.4. Khối LED đơn.................................................................................20
2.3.4.1. Chức năng................................................................................20
2.3.4.2. Thiết kế và tính toán................................................................20
Hình 2.3.4.2: Sơ đồ kết nối LED đơn...............................................................21
Hình 2.3.4.3: Các cách nối LED đơn................................................................22
2.3.5. Khối LED 7 thanh...........................................................................22
2.3.5.1. Chức năng................................................................................22
2.3.5.2. Tính toán và thiết kế................................................................22
Hình 2.3.5.2: Sơ đồ nguyên lý mạch Led 7 thanh............................................23
2.3.6. Khối ma trận LED...........................................................................23
2.3.6.1. Chức năng................................................................................23
2.3.6..2 Thiết kế tính toán.....................................................................23
Hình 2.3.6.2: Sơ đồ nguyên lý mạch Led Matrix.............................................24
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
3
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
2.3.7. Khối động cơ bước, động cơ 1 chiều và Encoder..........................25
2.3.7.1. Chức năng................................................................................25
2.3.7.2. Phân tích yêu cầu lựa chọn linh kiện.......................................25
2.3.7.3. Tính toán và thiết kế................................................................25
Hình 2.3.7.3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ DC..........................26
Bảng 2.3.7.4: Bảng trạng thái đầu vào L298....................................................26
Hình 2.3.7.5: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước.......................27
Hình 2.3.7.6: Sơ đồ kết nối encoder.................................................................27
2.3.8. Khối Giao tiếp máy tính (COM).....................................................28
2.3.8.1. Chức năng................................................................................28
2.3.8.2. Phân tích yêu cầu, lựa chọn linh kiện......................................28
2.3.8.3. Tính toán thiết kế.....................................................................28
Hình 2.3.8.3: Sơ đồ nguyên lý mạch RS232....................................................29
2.3.9. Khối chuyển đổi tương tự số ADC.................................................29
2.3.9.1. Chức năng................................................................................29
2.3.9.2. Phân tích yêu cầu, lựa chọn linh kiện......................................29
2.9.3.3. Tính toán thiết kế.....................................................................30
Hình 2.3.9.3: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi A/D.....................................31
2.3.10. Khối mạch nạp..............................................................................31
2.3.11. Khối Nguồn nuôi..........................................................................31
2.3.11.1. Chức năng..............................................................................31
2.3.11.2. Thiết kế và tính toán..............................................................31
Hình 2.3.11.2: Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn........................................................33
Chương 3. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG KIT VÀ XÂY DỰNG BÀI TẬP
THỰC HÀNH CHO BỘ KIT...........................................................................34
3.1. MODUL mạch nạp....................................................................................34
Hinh 3.1: Hình ảnh mạch nạp thực tế...............................................................34
3.1.1. Mô tả nguyên lý..............................................................................34
3.1.2. Giao diện phần mềm và trình tự thực hiện.....................................35
Hình 3.1.2 Giao diện phần mền nạp IC............................................................35
3.1.3. Hướng dẫn sử dụng.........................................................................35
3.2. MODUL CPU............................................................................................36
Hình 3.2: Hình ảnh khối CPU và các cổng giao tiếp.......................................36
3.2.1. Tính năng.........................................................................................36
3.2.2. Hướng dẫn sử dụng.........................................................................37
Bảng 3.2.2: Trạng thái chuyển mạch control dat in/out...................................37
3.3.MODUL Nút ấn..........................................................................................39
Hình 3.3: Hình ảnh thực tế khối nút ấn............................................................39
3.3.1. Tính năng.........................................................................................39
3.3.2. Hướng dẫn sử dụng.........................................................................39
3.4. MODUL LED đơn....................................................................................39
Hình 3.4: Hình ảnh thực tế khối LED đơn.......................................................40
3.4.1. Mô tả nguyên lý..............................................................................40
3.4.2. Phương pháp lập trình.....................................................................40
3.4.3. Xây dựng bài mẫu và bài tập thực hành.........................................40
Hình 3.4.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối LED đơn........................................40
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
4
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
3.5. MODUL LED 7 thanh...............................................................................41
Hình 3.5: Hình ảnh thực tế khối LED 7 thanh..................................................42
3.5.1. Mô tả nguyên lý..............................................................................42
3.5.2. Phưong pháp lập trình.....................................................................42
Bảng 3.5.2: Bảng điều khiển LED 7 thanh.......................................................42
Hình 3.5.2.1: Lưu đồ điều khiển LED 7 thanh.................................................43
3.5.3. Xây dựng bài mẫu và bài tập thực hành.........................................43
Hình 3.5.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối LED 7 thanh..................................44
3.6. MODUL ma trận bàn phím 4x4................................................................45
Hình 3.6: Hình ảnh thực tế ma trận bàn phím..................................................45
3.6.1. Mô tả nguyên lý..............................................................................45
Bảng 3.6.1: Bảng chức năng điều khiển ma trận bàn phím 4x4......................45
3.6.2. Phương pháp lập trình.....................................................................45
Hình 3.6.2: Lưu đồ điều khiển ma trận bàn phím............................................46
3.6.3. Xây dựng bài mẫu và các bài tập thực hành...................................46
Bảng 3.6.3: Bảng quy ước các nút ấn...............................................................47
Hình 3.6.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối ma trận bàn phím...........................47
3.7. MODUL ma trận LED 16x8.....................................................................50
Hình 3.7: Hình ảnh thực tế khối ma trận LED 16x8........................................50
3.7.1. Mô tả nguyên lý..............................................................................50
Hình 3.7.1: Cấu tạo phần cứng điều khiển ma trận LED.................................50
3.7.2. Phương pháp lập trình.....................................................................51
Bảng 3.7.2: Cách lập mã cho ma trận LED......................................................51
3.7.3. Xây dựng bài mẫu và bài tập thực hành.........................................52
Hình 3.7.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối ma trận LED..................................52
3.8. MODUL LCD...........................................................................................53
Hình 3.8: Hình ảnh thực tế khối LCD..............................................................54
3.8.1. Mô tả nguyên lý..............................................................................54
Bảng 3.8.1.1: Sơ đồ chân và chức năng của LCD............................................54
Bảng 3.8.1.2: Bảng mã lệnh của LCD..............................................................54
3.8.2. Phương pháp lập trình.....................................................................54
Hình 3.8.2: Lưu đồ giải thuật gửi lệnh của LCD..............................................56
Hình 3.8.2.1: Lưu đồ giải thuật khởi tạo của LCD...........................................57
3.8.3. Xây dựng bài tập mẫu và bài tập thực hành...................................57
Hình 3.8.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối LCD...............................................57
3.9. MODUL động cơ bước.............................................................................63
Hình 3.9: Hình ảnh thực tế khối động cơ bước................................................63
3.9.1. Mô tả nguyên lý..............................................................................63
3.9.2. Phương pháp lập trình.....................................................................63
Bảng 3.9.2: Bảng mã điều khiển một bước......................................................65
Bảng 3.9.3: Bảng mã điều khiển một nửa bước...............................................65
3.9.3. Xây dựng bài mẫu và bài tập thực hành.........................................65
Hình 3.9.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối động cơ bước.................................66
3.10. MODUL động cơ DC và Encoder..........................................................67
Hình 3.10: Hình ảnh thực tế khối động cơ DC và Encoder.............................67
3.10.1. Mô tả nguyên lý............................................................................67
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
5
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
3.10.2. Phương pháp lập trình...................................................................67
Hình 3.10.2: Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ DC và Encoder...............68
3.10.3. Xây dựng bài mẫu và bài tập thực hành.......................................69
Hình 3.10.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối đọng cơ DC và Encoder..............69
3.11. MODUL ADC 0804................................................................................70
Hình 3.11: Hình ảnh thực tế khối ADC0804....................................................70
3.11.1. Mô tả nguyên lý............................................................................70
Bảng 3.11.1: Bảng chức năng chân của ADC 0804.........................................71
Bảng 3.11.2: Các mức điện áp chuyển đổi của ADC0804...............................71
3.11.2. Phương pháp lập trình và giải thuật..............................................72
Hình 3.11.2: Lưu đồ chuyển đổi ADC0804.....................................................73
3.11.3. Xây dựng bài mẫu và bài tập thực hành.......................................73
Hình 3.11.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối ADC 0804....................................73
3.12. MODUL giao tiếp COM.........................................................................78
Hình 3.12: Hình ảnh thực tế khối giao tiếp COM............................................78
3.12.1. Mô tả nguyên lý............................................................................78
Bảng 3.12.1: Bảng chức năng chân của COM.................................................79
3.12.2. Phương pháp lập trình và giải thuật:.............................................79
Hình 3.12.3: Giao diện phần mền giao tiếp COM............................................79
Chương 4. KINH NGHIỆM THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH.........................81
4.1. Vẽ mạch nguyên lý và mạch in.................................................................81
4.2. Thi công mạch in.......................................................................................81
4.2.1. Phương án 1.....................................................................................81
4.2.2. Phương án 2.....................................................................................81
4.2.3. Phương án 3.....................................................................................81
4.3. Lắp ráp linh kiện vào mạch và kiểm tra....................................................82
4.3.1. Kiểm tra...........................................................................................82
4.3.2. Đo các mối nối................................................................................82
4.3.3. Kiểm tra bằng phần mềm................................................................82
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ.......................................................................83
1. Kết luận.........................................................................................................83
2. Khuyến nghị..................................................................................................83
Tài liệu tham khảo.................................................................................................85
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
6
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ KIT vi điều khiển. .Error: Reference source
not found
Hình 2.3.1.2: Cấu tạo chân BUS........Error: Reference source not found
Hình 2.3.1.3: Cấu tạo Switch điều khiển.....Error: Reference source not
found
Hình 2.3.2.2: Sơ đồ nguyên lý Ma trận bàn phím 4x4...Error: Reference
source not found
Hình 2.3.3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD........Error: Reference
source not found
Hình 2.3.4.2: Sơ đồ kết nối LED đơn..Error: Reference source not found
Hình 2.3.4.3: Các cách nối LED đơn..Error: Reference source not found
Hình 2.3.5.2: Sơ đồ nguyên lý mạch Led 7 thanh..........Error: Reference
source not found
Hình 2.3.6.2: Sơ đồ nguyên lý mạch Led MatrixError: Reference source
not found
Hình 2.3.7.3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ DC.........Error:
Reference source not found
Hình 2.3.7.5: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước......Error:
Reference source not found
Hình 2.3.7.6: Sơ đồ kết nối encoder....Error: Reference source not found
Hình 2.3.8.3: Sơ đồ nguyên lý mạch RS232. Error: Reference source not
found
Hình 2.3.9.3: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi A/D....Error: Reference
source not found
Hình 2.3.11.2: Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn....Error: Reference source not
found
Hinh 3.1: Hình ảnh mạch nạp thực tế. Error: Reference source not found
Hình 3.1.2 Giao diện phần mền nạp IC.......Error: Reference source not
found
Hình 3.2: Hình ảnh khối CPU và các cổng giao tiếp....Error: Reference
source not found
Hình 3.3: Hình ảnh thực tế khối nút ấn........Error: Reference source not
found
Hình 3.4: Hình ảnh thực tế khối LED đơn...Error: Reference source not
found
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
7
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Hình 3.4.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối LED đơn......Error: Reference
source not found
Hình 3.5: Hình ảnh thực tế khối LED 7 thanh...Error: Reference source
not found
Hình 3.5.2.1: Lưu đồ điều khiển LED 7 thanh...Error: Reference source
not found
Hình 3.5.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối LED 7 thanh Error: Reference
source not found
Hình 3.6: Hình ảnh thực tế ma trận bàn phím...Error: Reference source
not found
Hình 3.6.2: Lưu đồ điều khiển ma trận bàn phím..........Error: Reference
source not found
Hình 3.6.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối ma trận bàn phím.........Error:
Reference source not found
Hình 3.7: Hình ảnh thực tế khối ma trận LED 16x8......Error: Reference
source not found
Hình 3.7.1: Cấu tạo phần cứng điều khiển ma trận LED...............Error:
Reference source not found
Hình 3.7.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối ma trận LEDError: Reference
source not found
Hình 3.8: Hình ảnh thực tế khối LCD. Error: Reference source not found
Hình 3.8.2: Lưu đồ giải thuật gửi lệnh của LCD Error: Reference source
not found
Hình 3.8.2.1: Lưu đồ giải thuật khởi tạo của LCD........Error: Reference
source not found
Hình 3.8.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối LCD. Error: Reference source
not found
Hình 3.9: Hình ảnh thực tế khối động cơ bước..Error: Reference source
not found
Hình 3.9.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối động cơ bướcError: Reference
source not found
Hình 3.10: Hình ảnh thực tế khối động cơ DC và Encoder...........Error:
Reference source not found
Hình 3.10.2: Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ DC và Encoder
.............................................................Error: Reference source not found
Hình 3.10.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối đọng cơ DC và Encoder
.............................................................Error: Reference source not found
Hình 3.11: Hình ảnh thực tế khối ADC0804Error: Reference source not
found
Hình 3.11.2: Lưu đồ chuyển đổi ADC0804..Error: Reference source not
found
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
8
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Hình 3.11.3: Hình ảnh kết nối thực tế khối ADC 0804..Error: Reference
source not found
Hình 3.12: Hình ảnh thực tế khối giao tiếp COM.........Error: Reference
source not found
Hình 3.12.3: Giao diện phần mền giao tiếp COM.........Error: Reference
source not found
MỤC LỤC DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.3.1.4: Cấu tạo Switch điều khiển....Error: Reference source not
found
Bảng 2.3.7.4: Bảng trạng thái đầu vào L298Error: Reference source not
found
Bảng 3.2.2: Trạng thái chuyển mạch control dat in/outError: Reference
source not found
Bảng 3.5.2: Bảng điều khiển LED 7 thanh. .Error: Reference source not
found
Bảng 3.6.1: Bảng chức năng điều khiển ma trận bàn phím 4x4.....Error:
Reference source not found
Bảng 3.6.3: Bảng quy ước các nút ấn. Error: Reference source not found
Bảng 3.7.2: Cách lập mã cho ma trận LED. Error: Reference source not
found
Bảng 3.8.1.1: Sơ đồ chân và chức năng của LCD.........Error: Reference
source not found
Bảng 3.8.1.2: Bảng mã lệnh của LCD Error: Reference source not found
Bảng 3.9.2: Bảng mã điều khiển một bước. .Error: Reference source not
found
Bảng 3.9.3: Bảng mã điều khiển một nửa bước. Error: Reference source
not found
Bảng 3.11.1: Bảng chức năng chân của ADC 0804......Error: Reference
source not found
Bảng 3.11.2: Các mức điện áp chuyển đổi của ADC0804.............Error:
Reference source not found
Bảng 3.12.1: Bảng chức năng chân của COM...Error: Reference source
not found
MỤC LỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT (TÊN NƯỚC NGOÀI)
ALIA
S
ADC
ENGLISH
VIETNAMESE
Analog-to-digital Converter
Bộ chuyển đổi tương tự số
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
9
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
DAC
KIT
IDE
MCS
Digital –to-analog Converter
Intergate Development
Environment
Micro-Controller System
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Bộ chuyển đổi số tương tự
Bộ dụng cụ (Bộ thí nghiệm)
Môi trường phát triển tích hợp
Hệ thống vi điều khiển
10
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Chương1. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA BỘ THỰ HÀNH (KIT)
1.1.
MỤC ĐÍCH
Kỹ thuật vi điều khiển là môn học cơ bản quan trọng đối với sinh viên các
nghành Điều khiển, Tự động hóa, Điện tử, Tin học v.v… nhằm trang bị cho sinh
viên những kiến thức cần thiết về một họ vi điều khiển, ở đây là họ 8051, như
cấu trúc, nguyên tắc hoạt động, cùng các mạch phụ trợ, tập lệnh, cách lập trình
bằng hợp ngữ, các phương thức điều khiển vào ra và các phương pháp kết nối
thiết bị ngoại vi. Dựa trên nền tảng kiến thức của môn học kỹ thuật vi điều
khiển, sinh viên tiếp thu những môn học kỹ thuật chuyên nghành và tiếp cận dễ
dàng hợn với những kỹ thuật, trang thiết bị hiện đại. Đồng thời cho phép sinh
viên có cái nhìn trực quan và kiểm chứng, khẳng định sự đúng đắn các kiến thức
đã học. Do vậy việc đưa vào giáo trình phần xây dựng thiết kế Kit vi điều khiển
là hết sức quan trọng và rất thiết thực đối với sinh viên chuyên nghành tự động
hóa, điện tử, đo lường…Các Kit vi điều khiển đều được thiết kế dựa trên các họ
vi điều khiển mà sinh viên đang học trong trường. Sinh viên có thể dùng các Kit
vi điều khiển này để điều khiển các quá trình nhiệt độ, điều khiển động cơ, điều
khiển các đối tượng giao thông, điều khiển các quá trình sản xuất…
Trên thế giới có rất nhiều nguồn cung cấp các mạch Kit nói trên như:
Từ các hãng của nước ngoài, ví dụ như bộ KIT MDA-EMS51 của hãng Midas
của Hàn Quốc, KIT và phần mềm phát triển cho họ vi điều khiển PIC của
MikroElektronika (Website hay một hãng
nổi tiếng khác là OLIMEX (Website ) với các sản phẩm
KIT phát triển cho các dòng AVR, PIC, MAXQ, MSP430, ARM… Đặc điểm
của các sản phẩm này là có các tính năng mạnh, mẫu mã đẹp, phục vụ tốt nhu
cầu thực hành của môn học. Tuy nhiên giá thành của thiết bị là rất đắt (khoảng
700$ MDA-EMS51, và việc đặt mua không thuận tiện).
Do các trung tâm nghiên cứu và các trường đại học trong nước tự chế tạo.
Trong các trường đại học, các thiết bị thực hành môn học vi điều khiển có thể do
các giáo viên giảng dạy môn học chế tạo do các sinh viên tự chế tạo dưới sự
hướng dẫn của giáo viên, Ưu điểm của các sản phẩm chế tạo trong nước giá
thành rẻ mà chất lượng, mẫu mã không thua kém nước ngoài. Cấu hình của sản
phẩm và nội dung thực hành phù hợp với mục đích, chương trình đào tạo, với
điều kiện học tập của sinh viên cả nước nói chung và sinh viên trường Đại học
SPKT Hưng Yên nói riêng.
Xuất phát từ tình hình thực tế và sự cần thiết đáp ứng nhu cầu thực hành
trong quá trình học tập môn học vi điều khiển nói trên, việc thiết kế, xây dựng
một bộ KIT vi điều khiển với nay đủ các thành phần cơ bản, là vấn đề hết sức
cần thiết đối với các nghành điện tử, tự động hóa trong trường Đại học SPKT
Hưng Yên. Đây là vấn đề trọng tâm trong quyển đồ án này.
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
11
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
1.2.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
YÊU CẦU THIẾT KẾ KIT VI ĐIỀU KHIỂN PHỤC VỤ THỰC HÀNH
1.2.1. Phần cứng
Bởi vì mục đích của sản phẩm là phục vụ cho việc đào tạo nên cấu hình
cứng phải rõ ràng, dàn trải. Kích thước của bộ KIT gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển
và bảo quản. Các thành phần của bộ KIT được thể hiện rõ ràng, dễ nhận biết,
một đặc điểm nữa là nó phân thành các modul nhỏ và liên kết với modul trung
tâm bằng BUS, điều này cũng giúp người học có thể nhìn thấy một cách trực
quan các thành phần của bài thí nghiệm sẽ tiến hành. Đồng thời việc tổ chức
thành các modul nhỏ cũng tiện cho việc sửa chữa, thiết kế mở rộng, và có thể dễ
dàng trọng việc thương mại hóa sản phẩm này.
1.2.2 Các thành phần của bộ thực hành
Bộ thực hành có đầy đủ các thành phần cơ bản của một hệ vi điều khiển
và các nguồn tài nguyên phong phú, cho phép người sử dụng có thể tự do phát
triển các ứng dụng của mình.
1. Mạch nạp IC AT89C51/C52/S52/C2051
2. CPU ( AT89C51 – AT89C2051)
3. LED đơn
4. LED 7 thanh
5. LCD 16x2Line
6. Ma trận LED
7. Động cơ 12VDC
8. Động cơ bước 5VDC
9. Truyền thông nối tiếp RS232 (COM)
10. Encoder
11. Ma trận bàn phím
12. ADC 0804
13. Nguồn nuôi DC 5V ÷ 12V
14. Nút ấn
1.2.3. Các bài thí nghiệm thực hành trên bộ KIT
Các bài cơ bản: Giúp sinh viên làm quen với hệ lệnh của chip vi điều
khiển, nhập các lệnh, nạp chương trình và chạy xem kết quả thực hiện của các
lệnh đó.
Các bài nâng cao: Gồm các bài thí nghiệm phức tạp hơn thực hiện sử dụng
các thành phần ngoại vi trên bộ KIT. Các bài thí nghiệm thực hiện việc điều
khiển một quá trình tương tự hoặc số, Ví dụ: điều khiển LED 7 SEG, Matrix
LED8x8, Điều khiển vào ra số- tương tự, điều khiển động cơ v.v…
Thực hiện các bài thí nghiệm:
Các bài tập mẫu xây dựng trước: Đi kèm với sản phẩm bộ KIT là một hệ
thống các bài tập mẫu được xây dựng cho các ứng dụng trên bộ KIT như điều
khiển các thành phần ngoại vi của KIT, điều khiển vào/ra tương tự-số…Sinh
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
12
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
viên có thể đọc hướng dẫn sử dụng và thực hiện các bài tập mẫu này trên bộ
KIT.
Các bài tập do sinh viên tự lập trình: Sau khi đã nắm rõ cấu hình của bộ
KIT và sơ đồ bộ nhớ của các thành phần trên bộ KIT, sinh viên có thể tự lập
trình các bài thí nghiệm trên bộ KIT theo ý định của riêng mình.
Công cụ lập trình:
Bằng máy tính PC: Có thể sử dụng ngôn ngữ ASM với trình biên dịch
hợp ngữ sẵn có như: Keil, Reads51, Ride, Prog-Studio,v.v… để lập trình các
chương trình cho bộ KIT từ máy tính bằng ngôn ngữ C, ASM , sau đó biên dịch
thành file dạng Hex rồi nạp xuống cho bộ KIT để thực hiện các chương trìnhđó
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
13
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Chương 2. THIẾT
2.1.
KẾ KIT VI ĐIỀU KHIỂN
CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Họ vi điều khiển mà bộ KIT chọn làm thành phần trung tâm là họ 8051, vì
những lí do sau nay:
Họ 8051 là họ vi điều khiển phổ biến nhất hiện nay, được sử dụng rất rộng
rãi trong các ứng dụng công nghiệp cũng như trong việc chế tạo các sản phẩm dân
dụng.
Họ 8051 đã và đang là môn học được nằm trong chương trình đào tạo của
các trường trung học, cao đẳng và đại học trong cả nước, đây còn là một đối tượng cụ
thể cho sinh viên khi bắt đầu nhập môn vi điều khiển. Vì vậy, việc chọn họ 8051 làm
thành phần trung tâm của bộ KIT là phù hợp với chương trình đào tạo và điều kiện học
tập của sinh viên.
Vì những lí do trên, và xuất phát từ mục đích, yêu cầu của đồ án là thiết kế một bộ KIT
vi điều khiển phục vụ mục đích đào tạo môn học này, ta quyết định chọn phương án sử
dụng chip vi điều khiển AT89Cxx của hãng ATMEL để làm thành phần trung tâm của
KIT, cùng với các thành phần bộ nhớ ROM/RAM bên ngoài và các thiết bị ngoại vi
phong phú.
Chip vi điều khiển AT89Cxx là một bộ vi điều khiển cũng thuộc họ 8051, do đó
nó có tất cả những đặc trưng cơ bản của họ này
2.2. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI CỦA KIT.
MODUL
NGUỒN DC
MODUL
LED ĐƠN
MODUL
MA TRẬN BÀN PHÍM
MODUL
LCD
MODUL
LED MATRIX
MODUL
RS232(COM)
MODUL
CPU
A89C51/AT89C2051
MODUL: NÚT ẤN
MODUL
MẠCH NẠP
AT89C51/C52/S52/C2051
MODUL
ĐỘNG CƠ BƯỚC
MODUL
ADC 0804
MODUL
LED7 THANH
(7SEG)
MODUL: ENCOSDER
MODUL
ĐỘNG CƠ 12VDC
Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ KIT vi điều khiển
Trong sơ đồ khối của bộ KIT như trên chức năng của các khối như sau:
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
14
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Khối CPU: Đây là khối trung tâm của hệ thống. Nó bao gồm chip vi điều khiển
AT89Cxx và AT89Cx051, gồm các cổng giao tiếp mở rộng. Khối này làm nhiệm vụ
trung tâm điều hành hoạt động của cả bộ KIT.
Khối mạch nạp: Đây là khối giao tiếp giữa hệ vi điều khiển của bộ KIT và
máy tính. PC giúp cho người sử dụng có thể phát triển các ứng dụng trên bộ KIT từ
máy tính. Người sử dụng dùng PC để nạp các chương trình ứng dụng cho bộ KIT.
Chương trình ứng dụng của người sử dụng được nạp cho bộ KIT từ máy tính thông
qua phần mềm nạp đi kèm theo KIT.
Ma trận bàn phím: Đây là khối thiết bị đầu vào giao tiếp giữa vi điều khiển và
người sử dụng. Bàn phím cho phép người dùng sử dụng nó để điều khiển hoạt động
của các ứng dụng giải mã bàn phím, nhập thông số cho KIT, hoặc một số ứng dụng do
người dùng sử dụng.
Nút ấn: Gồm 8 nút ấn thường mở trong đó dành riêng 2 nút ấn cho chức năng
reset.
Khối LCD: Màn hình tinh thể lỏng 16x2 (16 ký tự và 2 dòng). Cho phép hiển
thị các thông số cần thiết của các ứng dụng. Hiển thị mã ASCII. LCD tạo ra sự tiện lợi,
thân thiện cho người sử dụng trong làm quen cũng như thí nghiệm trên KIT.
Khối ADC0804: Có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện áp tương tự 0 - 5V
thành tín hiệu số 8bit để đưa vào vi điều khiển xử lí. Tín hiệu vào 0-5V có thể được
đưa vào từ bên ngoài thông qua chân cắm hay thông qua công tắc chuyển mạch để nối
các tín hiệu tương tự có sẵn trên KIT nhờ biến trở. Ta có thể ứng dụng đo nhiệt độ
phòng qua cảm biến nhiệt độ …
Khối ĐK Động cơ 1 chiều và động cơ bước và Encosder: Là khối có bộ đệm
tầng khuếch đại để điều khiển động cơ bước và động cơ một chiều. Có bộ đĩa encoder
đếm xung tốc độ quay của động cơ một chiều.
Khối LED 7 SEG: Là khối hiển thị LED 7 thanh, có thể sử dụng để hiển thị
các giá trị theo chương trình ứng dụng của người sử dụng như: Đồng hồ, Bộ đếm…
Khối LED Matrix(8x16): Là 2 ma trận LED gồm 8 hàng x 8 cột ghép thành 8
hàng 16 cột với 1 màu đỏ sử dụng ghi dịch 74164 để quét cột.
Khối LED đơn: Là khối gồm 32LED đơn nối chung anốt (vcc) sử dụng cho
các ứng dụng nhỏ điều khiển sáng theo ý muốn, cho ngã tư giao thông…
Khối RS232: Là khối cho phép người sử dụng giao tiếp với PC qua chuẩn
truyền RS232 thông qua cổng COM 9 chân, Bằng việc người dùng lập trình giao tiếp
sử dụng VB, DelPhi, C, Pascal… là có thể giao tiếp giữa vi điều khiển và Máy tính.
Khối nguồn nuôi: Đây là nguồn nuôi cho toàn bộ KIT. Đầu vào 220V~/50Hz,
đầu ra +5VDC/ +12DC.
2.3.
THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN TỪNG KHỐI
2.3.1 Khối xử lý trung tâm CPU
2.3.1.1. Chức năng
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
15
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Đây là khối tiếp nhận và xử lí mọi thông tin liên quan đến hoạt động của KIT.
Khối xử lí trung tâm làm việc không ngừng trong suốt thời gian làm việc do đó độ bền
bỉ và khả năng xử lí nhanh chóng linh hoạt với mọi tình huống phụ thuộc vào phẩm
chất linh kiện mà chúng ta sử dụng cũng như nguồn cung cấp cho hệ thống. Chính và
vậy chọn bộ xử lí trung tâm làm đối tượng đầu tiên để ta thiết kế không ngoài lý do
trên, nó sẽ quyết định cho khả năng hoạt động cho hệ thống của chúng ta.
2.3.1.2. Phân tích yêu cầu chọn linh kiện và tính toán
a, Yêu cầu chọn linh kiện.
- Có nền tảng cơ bản của một hệ thống vi điều khiển.
- Khả năng ưu việt so với hệ thống số.
- Dễ sử dụng cũng như thiết kế các ứng dụng.
- Có tài liệu liên quan.
- Không yêu cầu cao trong thiết kế phần cứng.
- Mua được trên thị trường Việt Nam.
b, Tính toán thiết kế.
Việc chọn IC trung tâm là họ 8051 và sử dụng loại IC AT89Cxx/AT89Cx051
làm khối xử lí trung tâm là theo yêu cầu và mục đích của đề tài.
Ở đây ta sử dụng Socket thay cho việc hàn cứng IC lên KIT. Để tiện cho việc
thay đổi IC hay thay đổi chương trình ứng dụng, tránh làm hư hại IC.
Vi điều khiển AT89Cxx với thị trường Hà Nội, và cả khu vực miền Bắc nói
chung ta chọn AT89Cxx là chip dễ dàng mua được, bộ nhớ 4Kbyte đủ cho các ứng
dụng trong lĩnh vực thí nghiệm và nghiên cứu trên KIT. AT89Cxx có 4K Flash ROM
làm bộ nhớ chương trình, 128 byte RAM, 32 đường vào ra số, 2 bộ định thời, cấu trúc
ngắt 2 mức ưu tiên và 5 nguồn ngắt. Vùng nhớ Flash ROM có thể nạp và xóa 1000 lần.
Vi điều khiển AT89Cxx hỗ trợ tần số làm việc lên tới 24Mhz. Có chế độ Power Down
để tiết kiệm điện năng của hệ thống tuy nhiên vẫn duy trì nội dung của RAM nhưng
không cho mạch dao động cấp xung vào nhằm vô hiệu hóa các hoạt động khác cho
chip cho đến khi có Reset cứng tiếp theo. Chế độ Idle hay còn gọi là chế độ nghỉ dừng
CPU trong khi vẫn cho phép RAM, các bộ định thời/đếm, port nối tiếp và hệ thống
ngắt tiếp tục hoạt động.
Từ Datasheet của nhà sản xuất Port0 của IC là hở collector. Vì vậy phải có điện
trở treo bên ngoài mới có thể sử dụng cho mục đích tải ngoài. Ở đây ta chọn điện trở
treo có giá trị trong khoảng từ 1K- 10K, ở giá trị này mạch sử dụng tiết kiệm năng
lượng nhất. Dòng qua các chân của IC cũng phù hợp khoảng 0,5mA.
Do thực nghiệm cho thấy khi IC chạy thực tế điện áp mức 1(mức cao) của IC
chỉ khoảng 2,5-3V như vậy với một số ứng dụng yêu cầu cao về mức tín hiệu thì điện
áp này không đủ. Vì vậy ta phải sử dụng IC đệm có chức năng nâng điện áp đầu ra mà
không làm ảnh hưởng tới tín hiệu của IC. IC có chức năng đệm được dùng phổ biến
hiện nay đó là IC 74HC245. Trong đề tài này chúng em dùng đệm ở các cổng P1,P2
của AT89Cxx và P1,P3 của AT89Cx051.
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
16
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Như vậy chúng ta đều có chức năng đệm cũng như không dùng đệm. Giúp sinh
viên có thể thấy sự khác nhau này.1
Cổng BUS giao tiếp với các Modul khác được sử dụng trong đề tài là PORT 20
chân chống cắm ngược, dùng cáp mềm để nối rất thuận tiện cho việc thay đổi cổng và
ứng dụng của người dùng. Khi thiết kế chức năng của các cổng là tương tự nhau. Do
cổng P3 có thêm chức năng đặc biệt, hay tùy vào ứng dụng chúng ta dùng cổng cho
phù hợp
Hình 2.3.1.2: Cấu tạo chân BUS
Ngoài ra chúng em còn thiết kế thêm các switch nguồn và switch điều khiển
nhằm tối ưu nguồn nuôi, tránh trường hợp chạm chập có cấu tạo như sau:
ON
OFF
ON
OFF
12345678
Switch nguồn
Switch điều khiển
Hình 2.3.1.3: Cấu tạo Switch điều khiển
Trong đó Switch nguồn làm nhiệm vụ cấp nguồn cho từng modul cần thực tập.
Switch điều khiển để điều khiển vào ra dữ liệu của các cổng P1, P2, P0(89C51) -P1,
P3 (89C2051) của khối CPU, cấu tạo như sau:
8
7
6
5
2
1
4
3
AT89C51
- ĐK - P0
- ĐK - P1
- ĐK - P2
- ĐK – P3
- ĐK -/PSEN
- ĐK -/EA
AT89C2051
- ĐK - P1
- ĐK - P3
Bảng 2.3.1.4: Cấu tạo Switch điều khiển
2.3.2. Khối ma trận bàn phím 4x4
2.3.2.1. Chức năng
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
17
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Cho phép chúng ta có thể nhập dữ liệu từ bên ngoài vào Vi điều khiển hoạt
động của bộ KIT với dạng ma trận phím để tiết kiệm đầu vào và cùng với các phím
đơn có thể dùng làm phím chức năng của KIT.
2.3.2.2. Thiết kế mạch ma trận bàn phím.
Hình 2.3.2.2: Sơ đồ nguyên lý Ma trận bàn phím 4x4
Ma trận bàn phím 4x4. ta sử dụng một cổng 8 bit để quét bàn phím như vậy ta
đã có thể sử dụng được 16 phím rất tiết kiệm đầu vào.
Hàng và cột được nối với một cổng. Nửa byte thấp nối cột (Px.0 đến Px.3), còn
nửa byte cao nối hàng (Px.4 đến Px.7).
Ví dụ nếu phím 1 được nhấn thì Px.0 và Px.4 được nối GND. Tương tự như các
phím khác. Bàn phím sử dụng trong đề tài có sẵn mua được tại thị trường.
Trong đề tài còn thiết kế 8 phím đơn để sinh viên có thể so sánh phần cứng
cũng như phương pháp lập trình, và phù hợp với từng ứng dụng. Trong phần này
chúng em có thiết kế với 8 phím đơn tương ứng với 8 bit của một cổng. Khi một phím
được nhấn tương ứng với bit đó được nối GND.
2.3.3. Khối hiển thị LCD
2.3.3.1. Chức năng
Trong những năm gần đây LCD đang ngày càng được sử dụng rộng rãi thay thế
dần cho các đèn LED, LED 7 đoạn,... Do khả năng hiển thị số, ký tự và đồ họa tốt hơn
những cách hiển thị khác, dễ dàng lập trình cho các ký tự đồ họa.
Vì vậy mà khối hiển thị LCD là một khối rất quan trọng trong bộ KIT này, nó
sẽ giúp thực hiện các bài luyện tập ghép nối LCD với 89C51 và lập trình hiển thị các
số, ký tự và đồ họa trên LCD một các dễ dàng và trực quan.
2.3.3.2. Phân tích yêu cầu lựa chọn linh kiện
Với mục đích thực hành, thí nghiệm nên khối hiển thị LCD cần có những yêu
cầu sau:
- Kích thước nhỏ gọn.
- Dễ dàng ghép nối và quan sát.
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
18
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
-
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Đảm bảo việc thực hiện các bài luyện tập cho người sử dụng.
Thiết kế, chế tạo dễ dàng, giá thành hạ.
2.3.3.3. Tính toán thiết kế
Các thông số của SD – DM1602A:
-
Điện áp cung cấp: VDD = 4.5 ÷ 5.5V
-
Điện áp điều khiển: V0 = VDD – 15.0V ÷ VDD + 0.3V
-
Dòng điện: 2mA
-
Điện áp đèn BL: 4.2V
-
Dòng điện đèn BL: 185mA
-
Công suất đèn BL: PBL = 777mW
Từ các thông số trên ta chọn nguồn cung cấp: VDD = 5V
Điện trở đèn BL: R =
U
4.2
=
= 22Ω
I 0.185
Sử dụng công tắc để bật đèn BL khi cần thiết và biến trở để thay đổi điện áp V0
điều chỉnh độ tương phản của màn hình hiển thị.
Tổng công suất của khối LCD là:
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
19
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
P = U.I + PBL = 5.2 + 777 = 787 ( mW )
Hình 2.3.3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD
Các chân DB0 đến DB7 được nối với 8 bit tương ứng Px.0 đến Px.7 của vi điều
khiển, chân RS được nối vào chân P3.7, chân RW nối với chân P3.6 và chân CS nối
với chân P3.3 của vi điều khiển qua cáp nối 20 chân.
2.3.4. Khối LED đơn
2.3.4.1. Chức năng
Hiển thị trạng thái logic tại các cổng. Hiển thị các ứng dụng đơn giản kết hợp
với các modul khác như trạng thái Run/Stop hoặc Left/Right. v.v… Trong phần này
hướng thiết kế tạo một mô hình giao thông ngã tư để các bạn có thể lập trình điều
khiển một hệ thống giao thông từ đơn giản là hiển thị trạng thái các đèn cho đến kết
hợp với modul led 7 thanh hiển thị thời gian cho từng đèn. Hoặc ứng dụng riêng do
người dùng phát triển.
2.3.4.2. Thiết kế và tính toán
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
20
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Không giống như Diode, LED sáng (Phân cực thuận) sẽ gây sụt áp trên nó vào
khoảng 1,7 ÷ 2,5V tùy màu LED. Và dòng định mức trong khoảng 10 ÷ 40 mA. Khi
đó ta có mạch điều khiển LED như sau.
Hình 2.3.4.2: Sơ đồ kết nối LED đơn
Giả sử mạch kết nối với đệm 74HC245 thì có mức logic 0 (từ 0 – 0,4V), và
mức1 (từ 4,5 – 5V). Chọn dòng qua LED là 15 mA cho LED thật sáng và điện áp rơi
trên LED là 2V.
Xét hình a: LED sáng khi mức logic tại đầu IN là mức logic 0 vậy điện áp đầu
ra 74HC245 là 0,4V. Nên giá trị điện trở R1 là:
R1 =
5 − 2 − 0,4
= 130Ω Suy ra chọn R1 = 150Ω.
20.10 − 3
Xét hình b: LED sáng khi mức logic tại đầu IN1 có mức logic1, ứng với điện áp
là 4,6V, nên giá trị điện trở R1 là:
R1 =
4,6 − 2
= 130Ω Suy ra chọn R1 = 150Ω.
20.10 −3
Tuy nhiên khi thiết kế mạch như hình b thì phải đảm bảo dòng tại chân vào IN
phải đáp ứng được 20mA.
Ta có các cách mắc nối LED như sau:
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
21
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Hình 2.3.4.3: Các cách nối LED đơn
Ở cách 2, sụt áp trên LED sẽ rất lớn 2V, 3V còn lại sẽ sụt áp trên Vi điều khiển,
gây tổn thất năng lượng lớn, hoặc LED sẽ bị cháy.
Ở cách 1, đây là cách tốt nhất, có điện trở hạn dòng. Trở được tính như sau sao
cho sụt áp trên nó khoảng từ 2V ÷ 2,5V và sụt áp trên Vi điều khiển 0,9V. Từ những
tính toán ở trên điện trở hạn dòng cho LED không nên dưới 100Ω (không LED sẽ
cháy).
Từ những phân tích và tính toán trên chúng em lựa chọn phương án 1 (Cách 1).
Với modul led đơn thì ta sẽ tính được công suất max mà mạch tiêu thụ la khi 16
led cung sáng.
Với dòng trên mỗi Led là 20mA và điện áp nguồn là 5V
P = U.I = 5.16.15 = 1,2W
2.3.5. Khối LED 7 thanh
2.3.5.1. Chức năng
Tương tự như LCD dùng để hiển thị các thông số hay đếm xung, đồng hồ.v.v…
Chúng ta còn có LED 7 thanh được cấu tạo từ 7 led đơn xếp thành hình số 8. Như vậy
ta có thể hiện các con số từ 0 đến 9, hay hiển thị một số chữ cái đơn giản.
2.3.5.2. Tính toán và thiết kế
Như vậy ta có điện áp cung cấp cho LED 4V điện áp rơi trên LED 1,7 đến 2V
như vậy điện trở hạn dòng cho từng led khoảng 150Ω đến 330Ω. Nếu ta nối 1 điện trở
hạn dòng cho toàn bộ 8 LED tại đầu Anot hoặc Catot chung thì điện trở được tính như
sau:
Do mỗi LED cần 15mA để LED sáng bình thường
Suy ra 8 LED có dòng tổng như sau: 8x15mA = 120mA.
Vậy giá trị điện trở đó được tính như sau:
R=
VoutH − VLED 4 − 1.7
=
= 20Ω
I tong
0.12
Ta chọn loại điện trở 22Ω 1W do dòng đi qua lớn(120÷200mA)
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
22
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
- Các thông số HEC4511:
-
Nguồn cung cấp Vcc: 5VDC
-
Dòng điện tối đa Icc: 25mA
Tổng công suất của khối là:
P = U.I = 25.4. 5 = 500mW
Hình 2.3.5.2: Sơ đồ nguyên lý mạch Led 7 thanh
2.3.6. Khối ma trận LED
2.3.6.1. Chức năng.
Hiển thị quang báo, thông tin hệ thống hay đồng hồ, đếm.v .v . Giúp người
dùng hiểu cách thiết lập mở rộng phần cứng và hiển thị những ứng dụng riêng.
2.3.6..2 Thiết kế tính toán
Mạch phải hiển thị rõ ràng, các ký tự dịch từng cột. Có khả năng hiển thị nhiều
phông.
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
23
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Các LED trong Ma trận có thể sáng riêng lẻ nhau nếu ta đưa tín hiệu điều khiển
riêng biệt đến hàng và cột riêng biệt. Mỗi LED có thể sáng nếu ta cấp một điện áp 1,7
÷ 2V với dòng tối đa là 30mA. Vì LED ma trận có hàng hiện thị ở mức cao, cột ở mức
thấp nên ta cấp điện áp cho hàng và cột để hiển thị. Vì tất cả các cột đều được điều
khiển bởi ngõ ra của 74LS164, hàng điều khiển bởi các cổng ra của Vi điều khiển, có
dòng ra thấp chưa đủ để LED sáng đẹp chính vì vậy ta sử dụng một mạch khuếch đại
dòng cho Matran LED nhưng trong khuôn khổ của bộ thực hành với quy mô nhỏ chính
vì vậy ta tận dụng IC chốt 74HC245 vừa có chức năng chốt và đệm dữ liệu hàng.
Hình 2.3.6.2: Sơ đồ nguyên lý mạch Led Matrix
Với tính toán trên cũng cho ta chọn IC đệm dòng cho cột ULN2803 đầu ra đảo phù
hợp với tín hiệu cột nối 0V để LED sáng.
Các thông số của ULN2803:
-
Nguồn cung cấp Vcc: 5VDC
-
Dòng điện tối đa Icc: 25mA
Các thông số của IC74164:
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
24
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
Khoa Điện - Điện tử
-
Nguồn cung cấp Vcc: 5VDC
-
Dòng điện tối đa Icc: 54mA
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN
Vậy tổng công suất cung cấp cho modul là: P = 790mW
2.3.7. Khối động cơ bước, động cơ 1 chiều và Encoder
2.3.7.1. Chức năng
Khối DC/Step – Motor có chức năng thực hiện các yêu cầu điều khiển và điều
chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều và động cơ bước.
2.3.7.2. Phân tích yêu cầu lựa chọn linh kiện
Các yêu cầu của khối DC/Step – Motor:
-
Điều khiển động cơ DC với dòng điện tải tối đa 2A khi quá tải
-
Có thể điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng phương pháp PWM
-
Điều khiển chính xác, tin cậy và ổn định.
-
Thiết kế đơn giản
Để đáp ứng những yêu cầu đó với động cơ DC chúng ta có thể sử dụng IC điều
khiển động cơ L298 để điều khiển.
2.3.7.3. Tính toán và thiết kế
Thông số L298N
-
Điện áp cấp cho động cơ (Vs) lớn nhất là 46V
-
Điện áp logic: Vss từ 4.5V đến 7V
Chọn điện áp Vss = 5V điều khiển động cơ điện một chiều chạy ở điện áp Vs =
12V.
L298N không có diode nội để bảo vệ các mosfet nằm bên trong, do đó cần có
các diode ngoài để bảo vệ. Để đảm bảo điều khiển ở tần số PWM cao, cần dùng diode
nhanh có điện trở thấp. Diode chuyên dụng để điều khiển động cơ là các diode fast
recovery Schottky. Nhưng ở tần số thấp như trong ứng dụng này, vẫn có thể dùng loại
1N4007.
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ DC bằng L298N.
Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Dân
25
