Ứng dụng vi điều khiển PIC16f877a để chế tạo bộ thí nghiệm đo đạc tự động đặc tuyến Volt-Ampere của một số linh kiện điện tử

Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A ĐỂ CHẾ TẠO
BỘ THÍ NGHIỆM ĐO ĐẠC TỰ ĐỘNG ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE
CỦA MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
Phan Nhựt Huân,
Trần Thanh Phương
(Sinh viên năm 3, Khoa Vật lí)
GVHD: CN Nguyễn Tấn Phát
TÓM TẮT
Báo cáo này trình bày việc ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A để thiết kế và chế
tạo một bộ thí nghiệm đo đạc đặc tuyến Volt-Ampere của một số linh kiện điện tử (điện trở,
diode, transistor). Với khả năng đo tự động, nhanh chóng, cho kết quả với độ chính xác
cao, cùng với khả năng giao tiếp với người sử dụng qua máy tính cá nhân bằng kết nối
bluetooth, bộ thí nghiệm này bước đầu hỗ trợ cho công tác giảng dạy các kiến thức điện
một chiều trong chương trình Vật lí lớp 11 trung học phổ thông.

1. Giới thiệu đề tài
Trong quá trình sử dụng các dụng cụ thí nghiệm hiện có tại các trường phổ thông
để khảo sát đặc tuyến Volt-Ampere của các linh kiện điện tử, việc lắp đặt mạch khá
phức tạp và việc lấy số liệu nhiều lần đòi hỏi phải được tiến hành tỉ mỉ, tốn nhiều thời
gian nên trong thực tế giáo viên rất hạn chế sử dụng các thí nghiệm trong tiết dạy của
mình. Ngoài ra, nhu cầu đổi mới và cải tiến các bộ thí nghiệm ngày càng chính xác hơn
đang là một nhu cầu cấp thiết. Vì vậy, việc ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A để chế
tạo bộ thí nghiệm có thể giao tiếp với người sử dụng qua máy vi tính bằng kết nối
bluetooth và đo đạc tự động đặc tuyến Volt-Ampere của một số linh kiện điện tử là một
trong những giải pháp thiết thực, góp phần làm mới và làm hiệu quả hơn các bộ thí
nghiệm hiện có để phục vụ cho quá trình dạy và học Vật lí ở các trường trung học phổ
thông.
Trên cơ sở ứng dụng những tiến bộ hiện đại của công nghệ vi điều khiển, đề tài
này muốn hướng đến mục tiêu đa dạng hóa các bộ thí nghiệm và tạo ra những bộ thí

nghiệm mới có độ chính xác cao hơn, hiển thị kết quả tự động, tiết kiệm thời gian nhằm
mang lại hiệu quả dạy học cao. Bộ thí nghiệm này không những giúp cho học sinh có
cái nhìn trực quan hơn về kiến thức đã được học mà còn góp phần hỗ trợ trong công tác
giảng dạy của giáo viên ở trường phổ thông.
2. Nội dung
2.1. Quá trình thực hiện
Quá trình thực hiện đề tài này có thể tóm tắt theo sơ đồ như hình 1. Bước đầu,
những kiến thức cơ bản về điện tử (cách sử dụng các thiết bị đo, nguyên lí hoạt động

84


Năm học 2016 - 2017

của transistor, OP-AMP, vi điều khiển…) được tập trung nghiên cứu, làm nền tảng để
thực hiện các bước tiếp theo. Chương trình điều khiển cho PIC16F877A được viết bằng
ngôn ngữ C thông qua phần mềm CCS Compiler và được nạp cho vi điều khiển thông
qua trình biên dịch PICKit 2 Programmer. Chương trình điều khiển được chỉnh sửa và
hòan thiện dần thông qua việc lắp ráp và chạy thử từng bộ phận trên testboard và trên
phần mềm mô phỏng Proteus. Đây là bước quan trọng nhất trong quá trình thực hiện đề
tài này. Chương trình giao tiếp giữa bộ thí nghiệm và máy vi tính được xây dựng trên
nền tảng Visual Basic bằng chương trình Visual Studio Professional 2015. Kết nối giữa
bộ thí nghiệm và máy vi tính là kết nối không dây thông qua module bluetooth HC-05.
Trên cơ sở các bộ phận đã được kiểm tra hoạt động ổn định và chương trình giao tiếp
đã được xây dựng, bộ thí nghiệm được xây dựng hòan chỉnh để tiến hành đo đạc, đánh
giá kết quả và hiệu chỉnh sao cho phù hợp.

1. Nghiên cứu lý thuyết
về điện tử và lập trình

6. Đo đạc, đánh giá kết quả
thực nghiệm và hiệu chỉnh

2. Viết chương trình điều khiển
cho PIC16F877A

5. Thiết kế xây dựng hoàn chỉnh
bộ thí nghiệm

3. Kiểm tra hoạt động của các
thành phần trên testboard và
phần mềm mô phỏng Proteus

4. Viết chương trình giao tiếp
giữa bộ thí nghiệm và máy vi tính

Hình 1. Tóm tắt quá trình thực hiện
2.2. Cấu trúc và hoạt động của bộ thí nghiệm
Trong bộ thí nghiệm này, vi điều khiển PIC16F877A đóng vai trò là trung tâm
điều khiển, có nhiệm vụ nhận các thông số đo đạc (linh kiện cần đo, hiệu điện thế cần
đo nhỏ nhất, lớn nhất và bước nhảy) do người dùng điều chỉnh thông qua màn hình
LCD1602 và các nút nhấn (chế độ thủ công) hoặc do người dùng nhập vào từ máy vi
tính (chế độ tự động). Sau khi các thông số đã được thiết lập, PIC16F877A điều khiển
mạch đo để xuất ra các giá trị hiệu điện thế mong muốn, đo cường độ dòng điện qua
linh kiện, gửi các giá trị đo đạc được lên máy vi tính thông qua module bluetooth HC05 và đồng thời hiển thị các kết quả đo đạc được lên màn hình LCD. Sơ đồ khối của bộ
thí nghiệm được thể hiện trên hình 2.

85

Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH

Mạch đo hiệu điện thế
và cường độ dòng điện

Nút nhấn

VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A

Giao tiếp máy vi tính
thông qua module
bluetooth HC-05

Hiển thị LCD1602

Hình 2. Sơ đồ khối bộ thí nghiệm
2.2.1. Vi điều khiển PIC16F877A
PIC là từ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” có thể tạm dịch là
máy tính thông minh có thể lập trình được. PIC là một họ vi điều khiển RISC (vi điều
khiển với tập lệnh rút gọn) được sản xuất bởi công ti Microchip Technology.
PIC16F877A là một vi điều khiển 8bit với tập lệnh gồm 35 câu lệnh có độ dài 14bit.
Mỗi lệnh đều được thực thi trong chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép
là 20 MHz với một chu kì lệnh 20ms. Nó có tổng cộng 40 chân mang những tính năng
nổi bật như timer 8 bit, timer 16 bit, ngắt, tính năng ADC, DAC, tính năng PWM,
comparator, capture, giao tiếp USB, CAN, I2C, UART, Parallel... Để vi điều khiển
hoạt động cần có nguồn điện áp từ 2.5V đến 5.5V và có thể cung cấp dòng từ 150mA
đến 300mA. Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F877A được mô tả
trong hình 3.

Hình 3. PIC16F877A (ảnh trái) và sơ đồ chân (ảnh phải)

86


Năm học 2016 - 2017

2.2.2. Module bluetooth HC-05
Bluetooth là chuẩn truyền thông không dây để trao đổi dữ liệu ở khoảng cách
ngắn. Chuẩn truyền thông này sử dụng sóng radio ngắn (UHF radio) trong dải tần số
ISM (2.4 tới 2.485GHz). HC-05 là module bluetooth rẻ, thông dụng ở thị trường Việt
Nam, khoảng cách truyền của module này lên đến khoảng 10m. HC-05 có thể hoạt
động ở hai chế độ là “Command Mode” và “Data Mode”. Ở chế độ Command Mode, ta
có thể giao tiếp với module thông qua cổng serial bằng tập lệnh AT. Ở chế độ Data
Mode module có thể truyền nhận dữ liệu tới các module bluetooth khác. Trong bộ thí
nghiệm này, module HC-05 được thiết lập hoạt động ở chế độ Data Mode, có nhiệm vụ
truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển PIC16F877A và máy vi tính. Hình 4 mô tả
module bluetooth HC-05 và sơ đồ các chân của module này.

Hình 4. Module bluetooth HC-05
2.2.3. Mạch đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện
Mạch đo sử dụng trong bộ thí nghiệm này được mô tả như sơ đồ hình 5. Điện thế
VB được tạo ra từ IC DAC0808, giá trị điện thế này có thể thay đổi bằng vi điều khiển
PIC16F877A. Với transistor lưỡng cực (BJT) loại NPN (bộ thí nghiệm sử dụng
transistor NPN mã số C828A), nếu dòng IB qua cực Base của transistor thay đổi (bằng
cách thay đổi VB) thì dòng IC qua thiết bị cần đo cũng thay đổi, qua đó làm thay đổi
hiệu điện thế giữa hai đầu của thiết bị này. Hiệu điện thế giữa hai đầu thiết bị được ghi
nhận bằng bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (ADC – Analog to Digital
Converter) của PIC (nối với chân A0 và A1). Như vậy, bằng cách điều khiển giá trị VB,
ta có thể làm thay đổi và đo đạc được hiệu điện thế giữa hai đầu của thiết bị cần đo.
Do dòng IB có giá trị rất nhỏ (khoảng vài chục A) nên ta có thể xem gần đúng IC

 IE, tức là dòng điện qua thiết bị cần đo gần đúng với dòng điện qua điện trở R = 10
mắc với chân E của transistor. Vì vậy, ta chỉ cần xác định điện thế tại chân E của
transistor bằng cách sử dụng bộ ADC của PIC (nối với chân A5), ta có thể tính được

87


Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH

hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở 10 và suy ra được giá trị của cường độ dòng điện
V
qua thiết bị cần đo: I thietbido  E (A).
10
5V

 ADC  A0

 ADC  A1

VB

Transistor NPN
R  100 k 

 ADC  A5
R  10

Hình 5. Mạch đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện
2.2.4. IC DAC0808
DAC (Digital to Analog Converter) còn gọi bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín

hiệu tương tự. Vi điều khiển sẽ được lập trình để điều khiển DAC0808 xuất ra các giá
trị điện thế mong muốn. DAC0808 có cấu tạo gồm 16 chân, các chân tín hiệu vào (A1
đến A8) được lần lượt nối với 8 chân của vi điều khiển PIC16F877A theo thứ tự từ
RB0 đến RB7 như được mô tả trong hình 6.

Hình 6. Ghép nối giữa IC DAC0808 và vi điều khiển PIC16F877A

88


Năm học 2016 - 2017

DAC thực hiện quá trình biến đổi tín hiệu từ số sang tương tự bằng cách so sánh
với một điện áp tham chiếu (Reference Voltage) được đưa vào chân số 14. Trong bộ thí
nghiệm này, DAC0808 được tham chiếu với điện áp 12V. Giá trị điện thế mà
DAC0808 xuất ra (được kí hiệu VB trong hình 6) được xác định từ công thức sau:

A
A 
A A A A A A
VB  Vref   1  2  3  4  5  6  7  8 
4
8 16 32 64 128 256 
 2
trong đó, A1 đến A8 chỉ nhận một trong hai giá trị là 0 hoặc 1, ứng với các chân của
PIC ghép nối với nó là từ RB0 đến RB7 xuất ra giá trị điện thế thấp (0V) hay điện thế
cao (5V). Như vậy, bằng cách điều khiển giá trị điện thế xuất ra ở các chân cổng B của
PIC16F877A, ta có thể điều khiển được giá trị mà IC DAC0808 sẽ xuất ra theo mong
muốn.
2.2.5. Chức năng ADC của PIC16F877A

ADC (Analog to Digital Converter) dùng để biến đổi một tín hiệu điện áp tương
tự vào một chân nào đó của vi điều khiển trở thành tín hiệu số cũng bằng cách so sánh
với một điện áp tham chiếu tương tự như DAC. Điện áp tham chiếu có thể là điện áp
VDD (điện áp nguồn) hoặc điện áp tham chiếu được đưa vào một chân khác. Thứ tự
chân đọc ADC và chân cấp điện áp tham chiếu được quy định rõ ràng trong từng
trường hợp sử dụng. Bộ ADC được sử dụng trong bộ thí nghiệm này là loại ADC 10bit
tương ứng với 210 =1024 giá trị. Giá trị bit càng lớn thì ADC có độ phân giải càng cao.
Ở đây, khi điện áp tham chiếu là 5V thì trong đoạn từ 0V đến 5V sẽ được chia làm
1023 khoảng. Mỗi giá trị điện áp được ADC đọc sẽ tương ứng với một số. Xét với
trường hợp cần đo nói trên là điện áp thì giá trị điện áp sẽ được vi điều khiển xử lí tính
toán theo công thức sau:

V 

ADC  5
1023

với: ADC là giá trị ADC đọc được, V là giá trị điện áp tại chân ADC đó.
2.3. Chương trình giao tiếp với máy vi tính
Giao tiếp giữa vi điều khiển và máy vi tính được thực hiện thông qua module
bluetooth HC-05. Chương trình giao tiếp trên máy vi tính được viết trên nền Visual
Basic bằng phần mềm Visual Studio Professional 2015 và có giao diện như hình 7.

89


Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH

Hình 7. Chương trình giao tiếp với người dùng trên máy vi tính
Tại chương trình này, sau khi người dùng chọn cổng và kết nối với bộ thí nghiệm

bằng các nút ở vùng 1, người dùng có thể chọn thiết bị cần đo trong ô chọn ở vùng 2.
Có 3 lựa chọn: điện trở, diode, hoặc transistor. Khi đã chọn được thiết bị cần đo, người
dùng nhập vào các thông số của quá trình đo đạc (hiệu điện thế nhỏ nhất, lớn nhất và
bước nhảy) sau đó nhấn nút “Xác nhận” để truyền các thông số này về bộ thí nghiệm.
Nút “Bắt đầu đo” và “Dừng đo” trong vùng 3 để bắt đầu hoặc kết thúc quá trình đo.
Khi quá trình đo diễn ra, các thông số hiệu điện thế giữa hai đầu thiết bị đo và cường
độ dòng điện qua thiết bị đó được hiển thị và cập nhật lên bảng 6, đồng thời được mô tả
trên đồ thị 7. Kết thúc quá trình đo đạc, người dùng có thể lưu lại kết quả đo được dưới
dạng Excel hoặc lưu đồ thị dưới dạng hình ảnh bằng các nút “Lưu dữ liệu” và “Lưu đồ
thị” trong vùng 4. Tất cả các thao tác của người dùng trên giao diện được ghi nhận và
thể hiện lên thanh trạng thái 8.
3. Kết quả
3.1. Bộ thí nghiệm
Bộ thí nghiệm được nghiên cứu đến thời điểm hiện tại được trình bày như hình 8.
Mạch điện tử sẽ tiếp tục được gia công mạch in hòan chỉnh trong thời gian nghiên cứu
sắp tới.

90


Năm học 2016 - 2017

Mạch
điện tử

Nút nhấn

Bluetooth HC-05

LCD1602

Chương trình giao tiếp

Hình 8. Bộ thí nghiệm đang được nghiên cứu ở thời điểm hiện tại
Bộ thí nghiệm này có thể hoạt động ở hai chế độ là thủ công và tự động. Ở chế độ
thủ công, người dùng trực tiếp đo, ghi nhận các giá trị hiệu điện thế và cường độ dòng
điện trên màn hình LCD. Đối với chế độ tự động, người dùng kết nối bộ thí nghiệm với
máy tính thông qua bluetooth, sau đó có thể đo đạc và quan sát được đặc tuyến VoltAmpere thông qua đồ thị được vẽ tự động bằng chương trình. Để đánh giá hoạt động và
mức độ chính xác của bộ thí nghiệm, các linh kiện điện tử cụ thể là điện trở, diode,
transistor được lần lượt đo đặc tuyến Volt-Ampere bởi bộ thí nghiệm này.
3.2. Đo đặc tuyến Volt-Ampere của điện trở
Thực hiện đo đặc tuyến Volt-Ampere của điện trở giá trị 150 trong khoảng từ
0V đến 3.3V bằng bộ thí nghiệm và thu được kết quả như hình 9.

91


Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH

Hình 9. Đặc tuyến Volt-Ampere của điện trở 150
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua điện
trở là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ, nghiệm đúng định luật Ohm. Bằng cách khớp
hàm đường thực nghiệm với đường thẳng có dạng Y = A + BX ta tính được giá trị điện
trở thu được từ đường làm khớp này là R = 148.23083, độ lệch tương đối 1.1% so với
giá trị thực tế. Qua đó có thể thấy bộ thí nghiệm cho kết quả với mức độ chính xác cao
và đáng tin cậy.
Tiếp tục thực hiện đo đặc tuyến Volt-Ampere để suy ra giá trị của một số điện trở
có giá trị khác nhau, kết quả được trình bày trong bảng 1.
STT
1

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

92

Bảng 1. Kết quả đo đặc tuyến Volt-Ampere của một số điện trở
Độ lệch tương đối (%)
Giá trị thực tế ()
Giá trị đo được ()
33
27.74
15.94
47
39.40
16.17
100
97.68
2.32
147
146.83
0.12
200

204.32
2.16
220
224.69
2.13
330
348.07
5.48
470
499.65
6.31
680
719.08
5.74
820
844.40
2.98
1000
964.57
3.54


Năm học 2016 - 2017

Kết quả bảng 1 thấy rằng, ở các điện trở có giá trị nhỏ hơn 100 thì gặp phải độ
lệch tương đối lớn. Giá trị độ lệch này giảm dần ở các điện trở có trị số lớn hơn 100
và độ lệch lớn nhất chỉ là 6.31%. Qua đó ta có thể kết luận rằng, bộ thí nghiệm có thể
cho kết quả với độ chính xác cao ở các điện trở có trị số lớn nhưng cần phải hiệu chỉnh
lại ở các điện trở có giá trị nhỏ hơn 100.
3.3. Đo đặc tuyến Volt-Ampere của diode

Đặc tuyến Volt-Ampere của diode trong khoảng 0V đến 0.7V được đo đạc bằng
bộ thí nghiệm và cho kết quả như hình 10.

Hình 10. Đặc tuyến Volt-Ampere của diode
Kết quả thực nghiệm thu được phản ánh đúng dạng đặc tuyến Volt-Ampere của
một diode điển hình. Từ đồ thị có thể suy ra được điện áp ngưỡng của diode là
U ng  0.58V và điện trở của diode trong vùng tuyến tính là R  8.68 .
3.4. Đặc tuyến Volt-Ampere của transistor
Tiến hành đo đặc tuyến Volt-Ampere của transistor lưỡng cực NPN mã số C828A
với dòng điện qua cực Base của transistor lần lượt là 0.2; 0.4; 0.6; 0.8mA thu được kết
quả như hình 11.

93


Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH

Hình 11. Đặc tuyến Volt-Ampere của transistor NPN mã số C828A
Đồ thị phản ánh đúng dạng đặc tuyến Volt-Ampere của một transistor NPN điển
hình. Dòng điện bão hòa tương ứng với các dòng điện khác nhau qua cực Base của
transistor lần lượt là 3.96; 11.87; 20.40; 29.30 mA.
4. Kết luận
Bộ thí nghiệm được thiết kế và chế tạo có khả năng đo đạc đặc tuyến VoltAmpere của một số linh kiện điện tử với độ chính xác cao, ổn định và đáng tin cậy.
Cùng với khả năng đo đạc, xử lí số liệu nhanh, thao tác nhanh chóng, chương trình
tương tác với người sử dụng trên máy vi tính đơn giản nhưng đầy đủ các chức năng cần
thiết, bộ thí nghiệm này sẽ góp phần hỗ trợ cho công tác giảng dạy của người giáo viên.
Tuy nhiên, bộ thí nghiệm cần được gia công mạch in, chế tạo mạch lắp đặt sao
cho phục vụ tốt cho người sử dụng, hiệu chỉnh sao cho khả năng đo đặc tuyến của các
điện trở có giá trị nhỏ có thể chính xác hơn. Nếu khắc phục được các nhược điểm trên,
bộ thí nghiệm có thể được ứng dụng để dạy các tiết học trên lớp cũng như các tiết thực

hành trong phòng thí nghiệm ở các trường trung học phổ thông.

94


Năm học 2016 - 2017

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Dương Xuân Quý (2010), “Vấn đề sử dụng thiết bị thí nghiệm vật lí trong trường
phổ thông thực trạng và giải pháp”, Tạp chí Thiết bị giáo dục, số 61.
2. Đỗ Thanh Hải, Ngô Thanh Hải (2003), Nguyên lí căn bản và ứng dụng mạch điện
tử, Nxb Thanh niên.
3. Martin P.Bates (2007), Programming 8-Bit PIC Microcontroller in C with
interactive Hardware Simulation, www.newnespress.com.
4. Lucio Di Jasio (2007), Programming 16-Bit PIC Microcontroller in C Learning to
Fly the PIC24, New South Wales: Newnes.
5. Microchip Technology (2003), Microchip PIC16F877A Data sheet 28/40/44-Pin
enhanced flash Microcontrollers.
6. />7. />8. />9. />
95