Xây dựng hệ thống ấp trứng tự động

MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................................................1
DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ CÁC BẢNG TRONG ĐỒ ÁN.........................................................................3
MỞ ĐẦU.............................................................................................................................................5
Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................................................................................6
1.1 Khảo sát hệ thống ấp trứng tự động........................................................................................6
1.1.1 Máy ấp trứng tự động đảo trứng và phun độ ẩm..............................................................6
7
Hình 1.1: Máy ấp trứng tự động đảo trứng và phun độ ẩm...............................................................7
1.1.2 Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời......................................................................7
8
Hình 1.2: Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời........................................................................8
1.1.3 Máy ấp trứng kỹ thuật số...................................................................................................8
9
Hình 1.3 : Máy ấp trứng kỹ thuật số...................................................................................................9
1.2 Yêu cầu của hệ thống ấp trứng tự động sẽ thực hiện...............................................................9
1.3 Chi tiết các thiết bị..................................................................................................................10
1.3.1 Động cơ xoay chiều..........................................................................................................10
1.3.4 CPU Atmega16.................................................................................................................12
Hình 1.7: Sơ đồ chân của Atmega16.................................................................................................14
Hình 1.9: Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh......................................................................................19
Hình 1.10: Analog và digital của hàm sin..........................................................................................20
Hình 1.11: Tạo nguồn AVCC từ VCC..................................................................................................22
1.3.5 Bộ định thời Real Time Clock DS1307..............................................................................28
Hình 1.12: Cấu tạo của DS1307........................................................................................................29
Hình 1.13: Ghép nối DS1307 với vi điều khiển.................................................................................30
Hình 1.14: Tổ chức thanh ghi trong DS1307.....................................................................................31
Hình 1.15: Tổ chức thanh ghi trong DS 1307....................................................................................32
Hình 1.18: sơ đồ chân LCD...............................................................................................................36
Chương 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG................................................................................38
Hình 2.1: Sơ đồ khối điều khiển.......................................................................................................40

1


2.6.3 Thuật toán chương trình con cài đặt nhiệt độ.................................................................48
.........................................................................................................................................................48
.........................................................................................................................................................48
.........................................................................................................................................................48
.........................................................................................................................................................48
.........................................................................................................................................................48
Chương 3: KẾT QUẢ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ẤP TRỨNG TỰ ĐỘNG...................................................49
Hình 3.1: MODE=0............................................................................................................................49
3.2 Mạch ở chế độ MODE=1........................................................................................................49
Hình 3.2: MODE=1............................................................................................................................50
3.3 Mạch ở chế độ MODE=2........................................................................................................50
3.4 Mạch ở chế độ MODE=3........................................................................................................51
Hình 3.4: MODE=3............................................................................................................................52
3.5 Mạch ở chế độ MODE=4........................................................................................................53
Hình 3.5: MODE=4............................................................................................................................53
KẾT LUẬN..........................................................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................................54

2


DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ CÁC BẢNG TRONG ĐỒ ÁN
MỤC LỤC............................................................................................................................................1
DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ CÁC BẢNG TRONG ĐỒ ÁN.........................................................................3
MỞ ĐẦU.............................................................................................................................................5
Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................................................................................6

1.1 Khảo sát hệ thống ấp trứng tự động........................................................................................6
1.1.1 Máy ấp trứng tự động đảo trứng và phun độ ẩm..............................................................6
7
Hình 1.1: Máy ấp trứng tự động đảo trứng và phun độ ẩm...............................................................7
1.1.2 Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời......................................................................7
8
Hình 1.2: Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời........................................................................8
1.1.3 Máy ấp trứng kỹ thuật số...................................................................................................8
9
Hình 1.3 : Máy ấp trứng kỹ thuật số...................................................................................................9
1.2 Yêu cầu của hệ thống ấp trứng tự động sẽ thực hiện...............................................................9
1.3 Chi tiết các thiết bị..................................................................................................................10
1.3.1 Động cơ xoay chiều..........................................................................................................10
1.3.4 CPU Atmega16.................................................................................................................12
Hình 1.7: Sơ đồ chân của Atmega16.................................................................................................14
Hình 1.9: Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh......................................................................................19
Hình 1.10: Analog và digital của hàm sin..........................................................................................20
Hình 1.11: Tạo nguồn AVCC từ VCC..................................................................................................22
1.3.5 Bộ định thời Real Time Clock DS1307..............................................................................28
Hình 1.12: Cấu tạo của DS1307........................................................................................................29
Hình 1.13: Ghép nối DS1307 với vi điều khiển.................................................................................30
Hình 1.14: Tổ chức thanh ghi trong DS1307.....................................................................................31
Hình 1.15: Tổ chức thanh ghi trong DS 1307....................................................................................32
Hình 1.18: sơ đồ chân LCD...............................................................................................................36
Chương 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG................................................................................38
Hình 2.1: Sơ đồ khối điều khiển.......................................................................................................40

3

2.6.3 Thuật toán chương trình con cài đặt nhiệt độ.................................................................48
.........................................................................................................................................................48
.........................................................................................................................................................48
.........................................................................................................................................................48
.........................................................................................................................................................48
.........................................................................................................................................................48
Chương 3: KẾT QUẢ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ẤP TRỨNG TỰ ĐỘNG...................................................49
Hình 3.1: MODE=0............................................................................................................................49
3.2 Mạch ở chế độ MODE=1........................................................................................................49
Hình 3.2: MODE=1............................................................................................................................50
3.3 Mạch ở chế độ MODE=2........................................................................................................50
3.4 Mạch ở chế độ MODE=3........................................................................................................51
Hình 3.4: MODE=3............................................................................................................................52
3.5 Mạch ở chế độ MODE=4........................................................................................................53
Hình 3.5: MODE=4............................................................................................................................53
KẾT LUẬN..........................................................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................................54

4


MỞ ĐẦU
Trong nhiều năm qua ngành nông nghiệp nước ta có nhiều những thành tựu
vượt bậc, không chỉ đủ cung cấp nguồn lương thực, thực phẩm cho đất nước mà còn
xuất khẩu ra thị trường thế giới. Với thành tựu to lớn đó, chúng ta phải kể đến
ngành chăn nuôi gia cầm đã góp phần quan trọng cho nền kinh tế quốc dân. Sự phát
triển của ngành chăn nuôi nói chung và ngành chăn nuôi gia cầm nói riêng đã đem
lại lợi ích kinh tế cho các hộ nông dân, từng bước xóa đói giảm nghèo và ngày càng
có nhiều hộ gia đình làm giàu trên mảnh đất của mình nhờ vào kinh tế trang trại.
Ngày nay, nền kinh tế trang trại được phát triển rộng rãi trên cả nước với quy mô

vừa và lớn do đó vấn đề con giống là hết sức cần thiết.
Ấp trứng nhân tạo bằng máy ấp công nghiệp là phương pháp tối ưu để sản
xuất con giống trong thời gian ngắn, tỷ lệ ấp nở cao, đặc biệt có thể ấp được một số
lượng trứng lớn, và chất lượng con giống được nâng cao.
Ngày nay, việc đưa Vi Điều Khiển vào các dây chuyền sản xuất công nghiệp
đã đáp ứng tốt các yêu cầu trong điều khiển tự động hoá, nó đã trở thành yếu tố
chính để nâng cao hơn nữa hiệu quả của sản xuất trong công nghiệp nước ta. Việc
đưa Vi Điều Khiển vào điều khiển cho máy ấp trứng công nghiệp là rất cần thiết, vì
nó đảm bảo điều khiển chính xác các thông số cho quá trình ấp nở và cho hiệu quả
ấp nở cao, hệ thống điều khiển ngọn nhẹ, dễ dàng thao tác, mang lại hiệu quả kinh
tế cao cho người nông dân.
Vì vậy, đồ án em thực hiện là “Xây dựng hệ thống ấp trứng tự động”. Mục
đích của đề tài này là xây dựng một hệ thống ấp trứng tự động sử dụng Vi Điều
Khiển AVR. Do còn nhiều hạn chế về thời gian, về kiến thức và điều kiện làm việc
cũng như sự thử nghiệm thực tế, việc tìm hiểu của em chắc chắn còn nhiều thiếu
sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô cùng các bạn để đồ án của em
được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên : Nguyễn Thị Bích Nga

5


Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Khảo sát hệ thống ấp trứng tự động
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các phương
pháp ấp trứng thủ công đã dần được thay thế bởi các loại máy ấp trứng tự động và
bán tự động với tỷ lệ ấp thành công rất cao phù hợp với yêu cầu sản xuất, cho năng
suất cao. Sau đây là một số loại máy ấp trứng được sử dụng nhiều trong sản xuất.
1.1.1 Máy ấp trứng tự động đảo trứng và phun độ ẩm
Máy ấp trứng tự động dùng cho các loại trứng gia cầm,thủy cầm (gà, vịt,

ngan, ngỗng…..). Bao gồn các loại máy kích thước nhỏ gia dụng cho đến các loại
máy công nghiệp với đủ kích thước, có thể ấp từ 50 đến 10.000 trứng. Tỷ lệ ấp thành
công lên đến 95% với các đặc điểm như sau:
-

Bo mạch điện tử tự động cân bằng nhiệt bảo đảm nhiệt độ thích hợp (37ºC~
39ºC) và tương đối ổn định theo từng giai đoạn của mỗi đợt ấp trứng. Phát
âm thanh tự báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng quy định và ngược lại,
cảnh báo khi nhiệt độ bên ngoài quá cao, mức sai lệch nhiệt độ là 0.1ºC.

-

Máy siêu âm tạo độ ẩm tuyệt đối cho máy ấp trứng bảo đảm độ ẩm thích hợp
(65%RH ~ 80%RH) và tương đối ổn định theo từng giai đoạn của mỗi đợt ấp
trứng.

-

Bộ điều hòa khí chuyên dụng bảo đảm thông gió thoáng khí trong tủ ấp.

-

Bộ đảo trứng thông minh có định giờ bảo đảm đảo trứng thường xuyên
(1~3h/ 1 lần).

-

Kích thước của máy tùy thuộc vào số lượng trứng cần ấp, với những máy có
kích thước nhỏ phù hợp với các hộ gia đình, các máy có kích thước lớn thì
phù hợp với các trang trại hay các lò ấp công nghiệp.

6


Hình 1.1: Máy ấp trứng tự động đảo trứng và phun độ ẩm

1.1.2 Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời
Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời ngày nay cũng đã được sủ dụng
rộng rãi, đặc biệt là ở các vùng nông thôn hay bị mất điện đột ngột và ở vùng sâu
vùng xa, nơi không có điện năng. Với ưu điểm là tiết kiệm điện năng và có giá thành
phù hợp. Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời gồm ba phần chính: pin năng
lượng mặt trời, bình nước nóng và buồng ấp trứng.
-

Pin năng lượng mặt trời sẽ hấp thụ ánh sáng mặt trời chuyển hóa thành điện
năng tích trữ vào ác quy để cung cấp cho bộ phận điều khiển nhiệt độ của
máy ấp trứng. Nhiệt độ trong buồng ấp luôn đảm bảo khoảng 37ºC đến 38ºC.

-

Máy nước nóng năng lượng mặt trời sẽ cung cấp nhiệt năng, giúp tăng nhiệt
độ trong buồng ấp trứng.

7


Hình 1.2: Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời

1.1.3 Máy ấp trứng kỹ thuật số
Máy ấp trứng kỹ thuật số sản xuất theo công nghệ và tiêu chuẩn Hàn Quốc,

với đầy đủ các tính năng như: tùy chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, tự động đảo trứng, dễ dàng
sửa chữa và thay thế linh kiện, có thể sử dụng được cả hai nguồn điện là nguồn điện
220V và nguồn của bình ác quy để phòng khi mất điện.
-

Các loại trứng có thể ấp được: gà, vịt, ngan, ngỗng, chim, đà điểu, trĩ,
vv….,tất cả các loại trứng gia cầm.

-

Số lượng trứng có thể ấp là từ 10 – 20.000 trứng.

-

Tạo ẩm: tự động điều chỉnh trên bảng control, sử dụng máy bơm nước siêu
nhỏ để tạo ẩm và sóng siêu âm, cảnh báo khi hết nước.

-

Hệ thống cung cấp nhiệt: bóng nhiệt HALOGEN chuyên dùng ấp trứng, tự
điều chỉnh nhiệt độ trên bảng điều khiển.

-

Khay trứng: khay trứng được lắp ráp thông minh có thể tăng giảm kích thước
với từng loại trứng lớn nhỏ, không giới hạn kích thước trứng.

-

Đảo trứng: tùy chỉnh thời gian đảo và số lần dảo trứng cho một lần hoạt động.

-

Giải pháp khi mất điện: hệ thống ấp trứng bằng ác quy, duy trì thời gian ngày
với ác quy 100mA trở lên.

8


Hình 1.3 : Máy ấp trứng kỹ thuật số

Trên đây là cấu tạo, chức năng, yêu cầu kỹ thuật và hình ảnh của một số loại
máy ấp trứng phổ biến, được sử dụng rộng rãi trên thị trường hiện nay. Tham khảo
các thông số và yêu cầu kỹ thuật của các loại máy ấp trứng trên, trong đồ án này em
sẽ xây dựng hệ thống ấp trứng tự động.
1.2 Yêu cầu của hệ thống ấp trứng tự động sẽ thực hiện
Hệ thống bao gồm các bộ phận chính:
-

Thùng ấp: được thiết kế tùy theo số lượng trứng cần ấp.

-

Giá đựng trứng: được lắp trong thùng ấp với nhiều tầng và gắn với trục động
cơ thông qua bộ truyền lực (bánh răng hoặc dây culoa).

-

Động cơ xoay chiều hoặc một chiều để quay giá trứng (tùy theo kích thước
của thùng ấp mà có thể dùng động cơ xoay chiều hay động cơ một chiều).

-

Hệ thống bóng đèn: để tạo nhiệt độ trong buồng ấp trứng.

-

Sử dụng vi điều khiển Atmega16 để xử lý các tín hiệu nhận được và đưa ra
các tín hiệu điều khiển.

-

Bộ định giờ Real Time Clock DS1307 để cập nhật thời gian.

-

Sensor nhiệt độ LM35 đo nhiệt độ trong buồng ấp trứng.

9


-

Màn hình hiển thị số liệu LCD16x2 hiển thị ngày tháng, nhiệt độ.

-

Hệ thống phím nhấn để chọn các chế độ nhiệt độ khác nhau.

-

Các đèn cảnh báo và chuông báo khi hệ thống gặp sự cố.

1.3 Chi tiết các thiết bị
1.3.1 Động cơ xoay chiều
1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Động cơ gồm có hai phần chính là stator và rotor. Stato gồm các cuộn dây
của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường
quay. Rôto hình trụ có tác dụng như một cuộn dây quấn trên lõi thép. Khi mắc động
cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên
trục. Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để
vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác.
2. Phân loại
Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác
nhau. Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại: động cơ 3 pha và 1 pha, và nếu
theo tốc độ có động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ.

Hình 1.4: Động cơ điện xoay chiều

10


1.3.2 Động cơ một chiều
Động cơ một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều.
Stator của động cơ điện một chiều thường là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu,
hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một
chiều, một phần quan trọng khác của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu,
nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên
tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc
với cổ góp.

Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non,
cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối
diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống. Các lực này gây tác động quay lên
cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rô to quay liên tục và đúng chiều, một
bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ
có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là
lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90 o so với phương ban đầu của nó,
khi đó Rôto sẽ quay theo quán tính.

Hình 1.5: Động cơ điện một chiều

11


1.3.3 Bóng đèn
Bóng đèn sợi đốt hay gọi ngắn gọn hơn là bóng đèn tròn là một loại bóng đèn
dùng để chiếu sáng, dây tóc là bộ phận chính để phát ra ánh sáng, thông qua vỏ thủy
tinh trong suốt. Các dây tóc - bộ phận phát sáng chính của đèn được bảo vệ bên
ngoài bằng một lớp thủy tinh trong suốt hoặc mờ đã được rút hết không khí và bơm
vào các khí trơ. Kích cỡ bóng phải đủ lớn để không bị hơi nóng của nhiệt tỏa ra làm
nổ. Hầu hết bóng đèn đều được lắp vào trong đui đèn, dòng điện sẽ đi qua đui đèn,
qua đuôi đèn kim loại, vào đến dây tóc làm nó nóng lên và đến mức phát ra ánh
sáng. Đèn dây tóc dùng điện áp từ 1,5 vôn đến 300 vôn.

Hình 1.6 : Bóng đèn

1.3.4 CPU Atmega16
1. Tính năng của Atmega16
Vi điều khiển Atmega16 là vi điều khiển thuộc họ AVR của hãng Atmel, là
một dòng vi điều khiển tích hợp cao với những chức năng cơ bản nhưng rất cần thiết

trong những ứng dụng cụ thể.
Vi điều khiển ATmega16 cung cấp những tính năng sau:
-16K bytes bộ nhớ chương trình dạng flash có thể Read-While-Write.
-512 bytes EEPROM.
-1K byte RAM tĩnh (SRAM).

12


-32 đường kết nối I/O mục đích chung.
-32 thanh ghi làm việc mục đích chung được nối trực tiếp với đơn vị xử lý số
học và logic (ALU).
-Một giao diện JATG cho quét ngoại vi.
-Lập trình và hỗ trợ gỡ rối trên chip.
-3 Timer/Counter linh hoạt với các chế độ so sánh.
-Các ngắt ngoài và ngắt trong (21 nguyên nhân ngắt).
-Chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp USART có thể lập trình.
-Một ADC 10 bit, 8 kênh với các kênh đầu vào ADC có thể lựa chọn bằng
cách lập trình.
-Một Watchdog Timer có thể lập trình với bộ tạo dao động bên trong.
-Một cổng nối tiếp SPI ( serial peripheral interface).
-6 chế độ tiết kiệm năng lượng có thể lựa chọn bằng phần mềm.
-Lựa chọn tần số hoạt động bằng phần mềm.
-Đóng gói 40 chân kiểu PDIP.
-Tần số tối đa 16MHz.
-Điện áp 4,5 – 5,5V.
Vi điều khiển ATmega16 được hỗ trợ lập trình với ngôn ngữ lập trình bậc cao
như ngôn ngữ lập trình C và nhiều ngôn ngữ lập trình khác. Điều này giúp cho
người sử dụng rất tiện lợi trong việc lập trình cho vi điều khiển.

13


Hình 1.7: Sơ đồ chân của Atmega16

Mô tả các chân vi điều khiển ATmega16
- VCC: chân cấp nguồn một chiều.
- GND: chân nối đất.
- Port A (PA7..PA0): Cổng A được dùng làm lối vào analog của bộ chuyển
đổi A/D. Cổng A cũng được dùng như một cổng I/O 8 bit hai chiều trực tiếp nếu bộ
chuyển đổi A/D không được sử dụng. Các chân của port được cung cấp điện trở kéo
lên bên trong (được chọn cho từng bit).
- Port B(PB7..PB0): Cổng B là một cổng I/O 8 bit hai chiều trực tiếp có các
điện trở kéo lên bên trong (được chọn cho từng bit). Ngoài ra Port B còn được sử
dụng cho các chức năng đặc biệt khác:
Port Pin
PB7
PB6
PB5

Alternate Functions
SCK (SPI Bus serial Clock)
MISO (SPI Bus Master Input/Slave Output)
MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input)

14


PB4
PB3

PB2
PB1
PB0

SS (SPI Slave Select Input)
AIN1 (Analog Comparator Negative Input)
OC0 (Timer/Counter) Output Compare Match Output)
AIN0 (Analog Comparator Positive Input)
INT2 (External Interrupt 2 Input)
T1 (Timer/Couter 1 External Counter Input)
T0 (Timer/Counter 0 External Counter Input)
XCK (USART External Clock Input/Output)

- Port C(PC7..PC0): Port C cũng là một cổng I/O 8 bit hai chiều trực tiếp với
các điện trở kéo lên bên trong (được chọn cho từng bit). Khi giao diện JTAG được
phép hoạt động, các điện trở kéo lên của các chân PC5(TDI), PC3(TMS), và
PC2(TCK) sẽ vẫn hoạt động cả khi xảy ra reset. Port C được sử dụng cho giao diện
JTAG và các chức năng đặc biệt khác như trong bảng:
Port Pin
PC7
PC6
PC5
PC4
PC3
PC2
PC1
PC0

Alternate Function
TOSC2 (Time Oscillator Pin 2)

TOSC1 (Time Oscillator Pin 1)
TDI (JTAG Test Data In)
TDO (JTAG Test Data Out)
TMS (JTAG Test Mode Select)
TCK (JTAG Test Clock)
SDA (2- wire Serial Bus Data Input/Output Line)
SCL (2- wire Serial Bus Clock Line)

-Port D(PD7..PD0): là một cổng I/O 8 bit hai chiều trực tiếp có các điện trở
kéo lên bên trong (được chọn cho từng bit). Port D cũng được dùng cho các chức
năng đặc biệt khác của ATmega16 như trong bảng:
Port Pin
PD7
PD6
PD5
PD4
PD3

Alternate Function
OC2 (Timer/Counter2 Output Compare Match Output)
ICP (Timer/Counter1 Input Capture Pin)
OC1A (Timer/Counter1 Output CompareA Match Output)
OC1B (Timer/Counter1 Output CompareB Match Output)
INT1 (External Interrupt 1 Input)
15


PD2
PD1
PD0

INT0 (External Interrupt 0 Input)
TXD (USART Output Pin)
RXD (USART Input Pin)

- RESET : Là đầu vào reset. Một tín hiệu mực thấp đặt vào chân này trong
khoảng thời gian dài hơn độ dài xung nhỏ nhất sẽ phát ra một reset, ngay cả khi
xung nhịp không hoạt động. Xung ngắn hơn thì không đảm bảo để phát ra một reset.
-XTAL1: đầu vào cho bộ khuếch đại đảo dao động và đầu vào đến mạch hoạt
động đồng hồ xung nhịp bên trong.
-XTAL2: đầu ra cho bộ khuếch đại đảo dao động
-AVCC: là chân cấp nguồn áp cho Port A và bộ chuyển đổi A/D. Chân này
nên được nối với VCC cả khi ADC không được sử dụng. nếu ADC được sử dụng,
chân AVCC nên được nối với VCC qua bộ lọc thông thấp.
-AREF: chân điện áp tham chiếu của bộ chuyển đổi A/D

16


Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển Atmega16

2. Tìm hiểu về ADC
Trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng vi điều khiển bộ chuyển đổi
tương tự-số (ADC) là một thành phần rất quan trọng. Dữ liệu trong thế giới của
chúng ta là các dữ liệu tương tự (analog). Ví dụ nhiệt độ không khí buổi sáng là
25ºC và buổi trưa là 32ºC, giữa hai mức giá trị này có vô số các giá trị liên tục mà
nhiệt độ phải “đi qua” để có thể đạt mức 32ºC từ 25ºC, đại lượng nhiệt độ như thế
gọi là một đại lượng analog. Trong khi đó, rõ ràng vi điều khiển là một thiết bị số
(digital), các giá trị mà một vi điều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực
chất chúng được tạo thành từ sự kết hợp của hai mức 0 và 1. Ví dụ chúng ta muốn

17


dùng một thanh ghi 8 bit trong vi điều khiển để lưu lại các giá trị nhiệt độ từ 0°C đến
255°C, như chúng ta đã biết, một thanh ghi 8 bit có thể chứa tối đa 256 (2 8) giá trị
nguyên từ 0 đến 255, như thế các mức nhiệt độ không nguyên như 28.123°C sẽ
không được ghi lại. Nói cách khác, chúng ta đã “số hóa” (digitalize) một dữ liệu
analog thành một dữ liệu digital. Quá trình “số hóa” này thường được thực hiện bởi
một thiết bị gọi là “bộ chuyển đổi tương tự - số hay đơn giản là ADC (Analog to
Digital Converter).
Có rất nhiều phương pháp chuyển đổi ADC, phương pháp chuyển đổi mà em
nói ở đây là phương pháp chuyển đổi trực tiếp (direct converting) hoặc flash ADC.
Các bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp này được cấu thành từ một dãy các bộ so
sánh (như opamp), các bộ so sánh được mắc song song và được kết nối trực tiếp với
tín hiệu analog cần chuyển đổi. Một điện áp tham chiếu (reference) và một mạch
chia áp được sử dụng để tạo ra các mức điện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so
sánh. Hình 1.9 mô tả một bộ chuyển đổi flash ADC có 4 bộ so sánh, V in là tín hiệu
analog cần chuyển đổi và giá trị sau chuyển đổi là các con số tạo thành từ sự kết hợp
các mức nhị phân trên các chân Vₒ. Trong hình 1.9, do anh hưởng của mạch chia áp
(các điện trở mắc nối tiếp từ điện áp +15V đến đất), điện áp trên chân âm (chân -)
của các bộ so sánh sẽ khác nhau. Trong lúc chuyển đổi, giả sử điện áp V in lớn hơn
điện áp V- của bộ so sánh 1 (opamp ở phía thấp nhất trong mạch) nhưng lại nhỏ hơn
điện áp V- của các bộ so sánh khác, khi đó ngõ Vo1 ở mức 1 và các ngõ Vo khác ở
mức 0, chúng ta thu được một kết quả số. Một cách tương tự, nếu tăng điện áp V in ta
thu được các tổ hợp số khác nhau. Với mạch điện có 4 bộ so sánh như trong hình
1.9, sẽ có tất cả 5 trường hợp có thể xảy ra, hay nói theo cách khác điện áp analog
Vin được chia thành 5 mức số khác nhau. Tuy nhiên, các ngõ Vₒ không phải là các
bit của tín hiệu số ngõ ra, chúng chỉ là đại diện để tổ hợp thành tín hiệu số ngõ ra,
chúng ta không sử dụng được các bit Vₒ trực tiếp mà cần một bộ giải mã (decoder).
Trong bảng 1 tôi trình bày kết quả sau khi giải mã ứng với các tổ hợp của các ngõ

Vₒ.

18


Hình 1.9: Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh.

Bảng 1 Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã.
Vₒ4

Vₒ3

Vₒ2

Vₒ1

Giá trị nhị phân

Giá trị thập phân

0
0
0
0
1

0
0
0
1

1

0
0
1
1
1

0
1
1
1
1

000
001
010
011
100

0
1
2
3
4

Độ phân giải (resolution): như trong ví dụ trên, nếu mạch điện có 4 bộ so sánh,
ngõ ra digital sẽ có 5 mức giá trị. Tương tự nếu mạch điện có 7 bộ so sánh thì sẽ có
8 mức giá trị có thể ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tín hiệu trong
trường hợp 8 mức sẽ nhỏ hơn trường hợp 4 mức. Nói cách khác, mạch chuyển đổi

với 7 bộ so sánh có giá trị digital ngõ ra “mịn” hơn khi chỉ có 4 bộ, độ “mịn” càng
cao tức độ phân giải (resolution) càng lớn. Khái niệm độ phân giải được dùng để
chỉ số bit cần thiết để chứa hết các mức giá trị digital ngõ ra. Trong trường hợp có 8
mức giá trị ngõ ra, chúng ta cần 3 bit nhị phân để mã hóa hết các giá trị này, vì thế
19


mạch chuyển đổi ADC với 7 bộ so sánh sẽ có độ phân giải là 3 bit. Một cách tổng
quát, nếu một mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải n bit thì sẽ có 2 n mức giá trị có
thể có ở ngõ ra digital. Để tạo ra một mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải n
bit, chúng ta cần đến 2n-1 bộ so sánh, giá trị này rất lớn khi thiết kế bộ chuyển đổi
ADC có độ phân giải cao, vì thế các bộ chuyển đổi flash ADC thường có độ phân
giải ít hơn 8 bit. Độ phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi ADC,
việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý
của bô điều khiển. Trong 2 mô tả một ví dụ “số hóa” một hàm sin analog thành dạng
digital.

Hình 1.10: Analog và digital của hàm sin.

Điện áp tham chiếu (reference voltage): Cùng một bộ chuyển đổi ADC nhưng
có người muốn dùng cho các mức điện áp khác nhau, ví dụ người A muốn chuyển
đổi điện áp trong khoảng 0-1V trong khi người B muốn dùng cho điện áp từ 0V đến
5V. Rõ ràng nếu hai người này dùng 2 bộ chuyển đổi ADC đều có khả năng chuyển
đổi đến điện áp 5V thì người A đang “phí phạm” tính chính xác của thiết bị. Vấn đề
sẽ được giải quyết bằng một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu - Vref (reference
voltage). Điện áp tham chiếu thường là giá trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể
chuyển đổi. Trong các bộ ADC, Vref thường là thông số được đặt bởi người dùng,
nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi. Ví dụ, một bộ ADC 10 bit (độ
phân giải) có Vref=3V, nếu điện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu được sau khi
chuyển đổi sẽ là: 1023x(1/3)=314. Trong đó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ ADC

10 bit có thể tạo ra (1023=210-1). Vì điện áp tham chiếu ảnh hưởng đến độ chính xác

20


của quá trình chuyển đổi, chúng ta cần tính toán để chọn 1 điện áp tham chiếu phù
hợp, không được nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input nhưng cũng đừng quá lớn.
3. Chuyển đổi ADC trên Atmega16
Chip AVR Atmega16 của Atmel có tích hợp sẵn các bộ chuyển đổi ADC với độ
phân giải 10 bit. Có tất cả 8 kênh đơn (các chân ADC0 đến ADC7), 16 tổ hợp
chuyển đổi dạng so sánh, trong đó có 2 kênh so sánh có thể khuyếch đại. Bộ chuyển
đổi ADC trên AVR không hoạt động theo nguyên lý flash ADC mà tôi đề cập ở
phần trên, ADC trong AVR là loại chuyển đổi xấp xỉ lần lượt (successive
approximation ADC).
ADC trên AVR cần được “nuôi” bằng nguồn điện áp riêng ở chân AVCC, giá trị
điện áp cấp cho AVCC không được khác nguồn nuôi chip (VCC) quá +/-0.3V.
Nhiễu (noise) là vấn đề rất quan trọng khi sử dụng các bộ ADC, để giảm thiểu sai số
chuyển đổi do nhiễu, nguồn cấp cho ADC cần phải được “lọc” (filter) kỹ càng. Một
cách đơn giản để tạo nguồn AVCC là dùng một mạch LC kết nối từ nguồn VCC của
chip như minh họa trong hình 1.11, đây là cách được gợi ý bởi nhà sản xuất AVR.

21


Hình 1.11: Tạo nguồn AVCC từ VCC.

Điện áp tham chiếu cho ADC trên AVR có thể được tạo bởi 3 nguồn: dùng điện
áp tham chiếu nội 2.56V (cố định), dùng điện áp AVCC hoặc điện áp ngoài đặt trên
chân VREF. Một lần nữa, bạn cần chú ý đến noise khi đặt điện áp tham chiếu, nếu
dùng điện áp ngoài đặt trên chân VREF thì điện áp này phải được lọc thật tốt, nếu

dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V hoặc AVCC thì chân VREF cần được nối với
một tụ điện. Việc chọn điện áp tham chiếu sẽ được đề cập chi tiết trong phần sử
dụng ADC.
Các chân trên PORTA của chip Atmega16 được dùng cho bộ ADC, chân PA0 tương
ứng kênh ADC0 và chân PA7 tương ứng với kênh ADC7.
Thanh ghi:

22


Có 4 thanh trong bộ ADC trên AVR trong đó có 2 thanh ghi data chứa dữ liệu
sau khi chuyển đổi, 2 thanh ghi điều khiển và chứa trạng thái của ADC.
- ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register): là 1 thanh ghi 8 bit điều
khiển việc chọn điện áp tham chiếu, kênh và chế độ hoạt động của ADC. Chức năng
của từng bit trên thanh ghi này sẽ được trình bày cụ thể như sau:

- Bit 7:6- REFS1:0 (Reference Selection Bits): là các bit chọn điện áp tham
chiếu cho ADC, 1 trong 3 nguồn điện áp tham chiếu có thể được chọn là: điện áp
ngoài từ chân VREF, điện áp tham chiếu nội 2.56V hoặc điện áp AVCC. Bảng 2
tóm tắt giá trị các bit và điện áp tham chiếu tương ứng.
Bảng 2: Chọn điện áp tham chiếu

- Bit 5-ADLAR (ADC Left Adjust Result): là bit cho phép hiệu chỉnh trái kết
quả chuyển đổi. Sở dĩ có bit này là vì ADC trên AVR có độ phân giải 10 bit, nghĩa
là kết quả thu được sau chuyển đổi là 1 số có độ dài 10 bit (tối đa 1023), AVR bố trí
2 thanh ghi data 8 bit để chứa giá trị sau chuyển đổi. Như thế giá trị chuyển đổi sẽ
không lắp đầy 2 thanh ghi data, trong một số trường hợp người dùng muốn 10 bit
kết quả nằm lệch về phía trái trong khi cũng có trường hợp người dùng muốn kết
quả nằm về phía phải. Bit ADLAR sẽ quyết định vị trí của 10 bit kết quả trong 16
bit của 2 thanh ghi data. Nếu ADLAR=0 kết quả sẽ được hiệu chỉnh về phía phải

(thanh ghi ADCL chứa trọn 8 bit thấp và thanh ghi ADCH chứa 2 bit cao trong 10
bit kết quả), và nếu ADLAR=1 thì kết quả được hiệu chỉnh trái (thanh ghi ADCH

23


chứa trọn 8 bit cao nhất, các bit từ 9 đến 2, và thanh ADCL chứa 2 bit thấp nhất
trong 10 bit kết quả (bạn xem hình cách bố trí 2 thanh ghi ADCL và ADCH bên
dưới để hiểu rõ hơn).
- Bits 4:0-MUX4:0 (Analog Channel and Gain Selection Bits): là 5 bit cho
phép chọn kênh, chế độ và cả hệ số khuyếch đại cho ADC. Do bộ ADC trên AVR
có nhiều kênh và cho phép thực hiện chuyển đổi ADC kiểu so sánh (so sánh điện áp
giữa 2 chân analog) nên trước khi thực hiện chuyển đổi, chúng ta cần set các bit
MUX để chọn kênh và chế độ cần sử dụng. Bảng 3 tóm tắt các chế độ hoạt động của
ADC thông qua các giá trị của các bit MUX. Trong bảng này, ứng với các giá trị từ
00000 đến 00111 (nhị phân), các kênh ADC được chọn ở chế độ đơn kênh (tín hiệu
input lấy trực tiếp từ các chân analog và so sánh với 0V), giá trị từ 01000 đến 11101
tương ứng với chế độ chuyển đổi so sánh.

24


Bảng 3: Chọn chế độ chuyển đổi.

25