NGHIÊN CỨU MẠCH ĐO ĐIỆN DUNG

MỤC LỤC..........................................................................................................
A. PHẦN MỞ ĐẦU................................................................................................
1. LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................
2. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI................................................................................
3. YÊU CẦU CHỨC NĂNG VÀ PHI CHỨC NĂNG CỦA MẠCH.

4. PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHƯƠNG HƯỚNG MỞ RỘNG.................

B. PHẦN NỘI DUNG.............................................................................................
CHƯƠNG I : SƠ ĐỒ KHỐI...................................................................................
1.

Sơ đồ tổng quát.............................................................................................

2.

Chức năng các khối......................................................................................
2. 1 Khối nguồn.................................................................................................
2. 2. khối hiển thị...................................................................................
2. 3. khối vi điều khiển............................................................................................
2.4. Khối ổn áp ...................................................................................................

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG...............................................................


1. các linh kiện chính sử dụng trong mạch...................................................
2. giới thiệu cấu trúc của vi điều khiển Atmega 8a......................................
2. 1. Mô tả các chân...............................................................................
2.2. Các chế độ đặc biệt.......................................................................
3. Giới thiệu LCD........................................................................................
3. 1 Chức năng các chân của Module LCD 16x2................................

3. 2 Mã Hex LCD...................................................................................

CHƯƠ NG III : THIẾT KẾ MẠCH............................................................
1.
2.
3.
4.

Sơ đồ nguyên lý.........................................................................................
Sơ đồ mô phỏng.....................................................................................
Sơ đồ mạch in.......................................................................................
Nguyên lý hoạt động của mạch...........................................................

Chương IV :Thi công mạch................................................................................
1.

bản PCB mạch in............................................................................................

2.

Sơ đồ bố trí linh kiện..............................................................................

C. KẾT LUẬN...................................................................................................


A. PHẦN MỞ ĐẦU

1. LỜI NÓI ĐẦU
Thế kỉ 21 mở ra một thời đại mới, thời đại khoa học công nghệ đòi hỏi con người luôn
luôn không ngừng tìm tòi học hỏi để phát triển và tiến bộ. Với sự nhảy vọt của khoa học,

kĩ thuật điện điện tử mà vì thế trong một thời gian ngắn nó đã đạt được những thành
tựu to lớn trong hầu hết các lĩnh vực trong đời sống xã hội. Thiết bị và công nghệ ngày
càng đổi mới để góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống. Ngày nay các thiết bị vi điều
khiển có ứng dụng càng rộng rãi với ưu điểm nhỏ gọn, linh hoạt và có thể điều khiển
được rộng rãi. Vi điều khiển càng ngày càng chiếm lĩnh và đóng vai trò cực kì quan
trọng trong kĩ thuật điều khiển và tự động hóa. Giờ đây với nhu cầu chuyên dụng hóa,
tối ưu ( thời gian , không gian, giá thành) bao mật, tính chủ động linh hoạt trong công
nghệ ngày càng đòi hỏi khắt khe việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnh vực chế tạo mạch
điều khiển điện tử để đáp ứng các nhu cầu cấp thiết trong khoa học kĩ thuật điện – điện
tử. Kĩ thuật vi điều khiển hiện nay rất phát triển, nó đáp ứng được nhu cầu của nhiều
ngành, lĩnh vực sản xuất công nghiệp, tự động hóa, trong đời sống So với kĩ thuật số thì
kĩ thuật vi điều khiển nhỏ gọn hơn do đó nó được tích hợp lại và có khả năng lập trình
để điều khiển nên tiện dụng và cơ động.Với các tính chất ưu việt đó trong đề tài này
nhóm chúng em sử dụng vi đều khiển Atmega8 để nghiên cứu, thiết kế :

3.YÊU CẦU CHỨC NĂNG VÀ PHI CHỨC NĂNG CỦA MẠCH


3.1: Yêu cầu chức năng của mạch.
* Hiển thị thông số điện dung cần đo trên màn hình LCD
* Có phím reset bật, tắt vi điều khiển

3.2: Yêu cầu phi chức năng của mạch.
*
*
*
*
*

Mạch nhỏ gọn sắp xếp linh kiện hợp lý

Sơ đồ đi dây gọn gàng.
Độ thẩm mỹ cao.
Giá thành làm mạch rẻ, tiết kiệm.
Có khả năng ứng dụng vào thực tế

4. PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHƯƠNG HƯỚNG MỞ RỘNG.
- Vì đề tài thi kết thúc môn học nên chúng em mới chỉ xây dựng mô phỏng và thiết
kế mạch trong phạm vi hẹp cố định đo điện dung C.
- Phương hướng mở rộng đề tài thành đồ án tốt nghiệp:
+ Thiết kế mạch tích hợp đo điện dung, điện trở, cuộn cảm, tần số chuẩn nhất với
sai số nhỏ nhất.
+ Tự động ngắt kết nối nguồn LCD để bảo vệ LCD khi có sự cố trong vi điều khiển.
+ Tự động chuyển sang chế độ đồng hồ báo thời gian thực và hiển thị nhiệt độ trong
phòng khi không thực hiện lệnh đo linh kiện.


B. PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG I : SƠ ĐỒ KHỐI
1. Sơ đồ tổng quát

LCD

RESET

KHỐI NGUỒN

ATEMEGA8

Điện dung C cần đo

ỔN ÁP


2. Chức năng các khối
2. 1 Khối nguồn
-Cung cấp nguồn nuôi tất cả linh kiện trong mạch.
2. 2. Khối hiển thị
- Khối này thực chất là LCD 16x2 để hiển thị các thông số cũng như trị số mà

vi xử lý báo về.
2. 3. khối xử lý
-Vi điều khiển Atmega8 là trung tâm xử lý các thông tin của mạch.
Cụ thể là:
+ Atmega8 đảm nhiệm việc đọc tín hiệu cần đo xử lý chúng sau đó chuyển đổi
dữ liệu báo lên LCD để có thể hiển thị lên LCD.
+ Điều khiển LCD.

2.4. Khối ổn áp.
Thực chất là IC LM 7805 có nhiệm vụ là ổn định điện áp ngõ ra với điện áp là 5V
để cấp nguồn điện áp ổn định cho vi điều khiển hoạt động.


CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
1.

các linh kiện chính sử dụng trong mạch

1.1 Vi điều khiển Atmega8

giới thiệu cấu trúc của vi điều khiển Atmega 8a

Đặc điểm chính của Atmega 8a.
-Xung nhịp clock tối đa : 16MHz hoặc xung clock nội đến 8MHz với sai số 3%.
- Dung lượng bộ nhớ chương trình: 8 KB.
- Bộ nhớ EEPROM: 512 Byte.
- Dung lượng bộ nhớ RAM: 1 KB.
Bộ nhớ chương trình có khả năng ghi 10.000 lần, bộ nhớ EEPROM có thể ghi
100.000 lần. Hỗ trợ bootloader, có khả năng tự ghi vào bộ nhớ chương trình, cập
nhật chương trình cho chip mà không cần mạch nạp.
- Timer 8 bit: 2.
- Timer 16 bit: 1.
- ADC: 6 kênh, 10 bit.
- Giao tiếp: TWI (I2C), UART, SPI
-Dòng tiêu thụ: 3,6 mA
Điện áp hoạt động:
Atmega8L: 2.7V – 5.5V.
Atmega8: 4.5V – 5.5V.
-Atmega8 có 28 chân, trong đó có 23 cổng I/O: vào, ra

- Có 3 kênh điều xung: 6 kênh nối vào chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit
Để chip có thể hoạt động thì cần được FUSE đúng.
Khi xuất xưởng thì mặc định chip được FUSE sử dụng dao động nội với tần số
1MHz.
Nguồn RESET:
Atmega8 có 4 cách RESET:
- Reset khi cấp nguồn.
- Reset ngoài (thông qua chân RESET).
- Watchdog RESET.
- Reset khi nguồn bị sụt áp.

2.

Giới thiệu LCD 1602


Hình dáng của LCD
1602

Giới thiệu tổng quan về LCD 16x2:
- Chân cấp nguồn Vcc-GND

2.7V đến 5.5V

- Điện áp vào mức cao VIH

2.2V đến Vcc


- Điện áp vào mức thấp VIL

-0.3V đến 0.6V

- Điện áp ra mức cao (DB0-DB7)

Min 2.4V

- Điện áp ra mức thấp (DB0-DB7)

Max 0.4V (khi IOL = 1.2mA)

- Dòng điện ngõ vào ILI

-1uA đến 1uA (khi VIN = 0 đến Vcc)

- Dòng điện cấp nguồn ICC

350uA(typ.) đến 600uA

- Tần số dao động nội fOSC

(khi IOH = -0.205mA)

190kHz đến 350kHz (điển hình là
270kHz)

Chức năng các chân:
Chân

Ký hiệu

1

Vss

2

VDD

3

VEE

Mô tả
Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
GND của mạch điều khiển
Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
VCC=5V của mạch điều khiển
Điều chỉnh độ tương phản của LCD.
Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0”
(GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của

4

RS

LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của
LCD (ở chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên
trong LCD.
Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic

5
6

R/W

“0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để

E

LCD ở chế độ đọc.
Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus
DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép
của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp
nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low
transition) của tín hiệu chân E.
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát


hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ
ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.
Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU.
Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
7 - 14

DB0 -

+ Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit

DB7

MSB là bit DB7.
+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới

15

-

16

-

DB7, bit MSB là DB7
Nguồn dương cho đèn nền
GND cho đèn nền

Trên đây là cấu trúc cơ bản của LCD. Để có thể hiểu rõ hơn về nó chúng ta có thể
tham khảo datasheet của LCD 1602.

3) Bộ ổn áp
- Khối này sử dụng Ic ổn áp LM7805


LM7805 có 3 chân kết nối :
+ Chân 1 là chân nguồn đầu vào, chân 2 là chân GND , chân 3 là chân
lấy điện áp ra.
+ Chân 1 - 2 (Chân điện áp đầu vào) : Đây là chân cấp nguồn đầu vào
cho 7805 hoạt động. Dải điện áp cho phép đầu vào lớn nhất là 40V. Điện áp
đầu ra ổn định ở 5V -1A.
+ Chân 3 ( Chân điện áp đầu ra) : Chân này cho chúng ta lấy điện áp đầu
ra ổn định 5V. Đảm bảo đầu ra ổn định luôn nằm trong giải từ (4.75V đến 5.25V).
-Thông số này cần nguồn lớn hơn ít nhất là gấp đôi nguồn đầu ra để tránh trường hợp
sụt áp đầu vào dẫn tới nguồn đầu ra không ổn định trong thời gian ngắn.
- Đảm bảo tản nhiệt tốt cho 7805 khi chạy với tải:
Khi công suất tăng lên do 7805 là linh kiện bán dẫn công suất nên rất nóng khi tải
lớn. Để tránh hỏng linh kiện và cho linh kiện hoạt động trong nhiệt độ bình thường
thì cần phải lắp thêm tản nhiệt tốt.

-

CHƯƠNG III : THIẾT KẾ MẠCH.
1.

Sơ đồ nguyên lý


2.

Sơ đồ mô phỏng


3.

Nguyên lý hoạt động của mạch
Ban đầu khi cấp nguồn DC 12V mạch, điện áp DC 12V sẽ đi qua vào Vin
của ic ổn áp LM7805 và đưa ra đầu ra Vout của LM 7805 với mức điện áp
ngõ ra ổn định là 5V cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động,

3.2. Khối đo tụ
Khối này sử dụng phương pháp đo thời gian nạp và xả của tụ điện
PORT D của VDK có các chân (I/O) có nhiệm vụ xuất mức điện áp 0V~5V
PORT C của vdk là Port ( ADC) có nhiệm vụ đo điện áp mà các chân của PORT
D xuất ra kết hợp sử dụng bộ ngắt timer khai báo cho các chân trên vi điều khiển
và chuyển đổi sang đọc tín hiệu ADC cấp mức điện áp ở mức thấp và mức cao 0V
và 5V, biết được sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ᴦ(tô) ᴦ= R.C có R, ᴦ
từ đó > C vi điều khiển sẽ xử lý dữ liệu này để hiển thị lên màn hình LCD.
3.3 Khối transistor ( chế độ tự động tắt nguồn).
Khối này có chức năng tự động chuyển sang chế độ sleep khi không thực hiện

lệnh đo.
Nguyên lý hoạt động:
Khi bấm nút Reset cực b của T3 ở mức thấp, T3 thông cấp nguồn cho IC ổn áp, lúc
này vi điều khiển bắt đầu chạy cấp mức 1 qua R8, T1 thông dẫn tới đèn led sáng
do T1 thông nên T3 cũng thông nên vi điều khiển được cấp nguồn. Cực C của T2 sẽ
trả về vi điều khiển việc còn bấm hay nhả nút sẽ ứng với 2 mức 0 và mức 1. Khi
test xong nếu còn bấm nút reset thì sẽ hiển thị nên màn hình, còn nếu nhả nút thì
lúc này T2 sẽ cấp mức 0 qua R8 vào T2 làm cho T1 không thông dẫn tới T3 cũng
không được thông nên dẫn đến nguồn bị ngắt nên mạch sẽ tự động tắt nguồn.


3.4 Khối hiển thị LC
- LCD 16x2 và giao tiếp với vi điều khiển

+ Vee của LCD được nối vơi biến trở 5V để điều chỉnh độ sáng cuả LCD
- Hiển thị chuỗi ký tự lên LCD
+ 3 chân điều khiển (RS, RW, E)
+ Đường dữ liệu D0 đến D7
+ Chân điều khiển độ sáng tối của LCD chân Vee ta sử dụng 1 biến trở để điều
chỉnh thích hợp