Đề tài Ứng dụng vi điều khiển để điều khiển nhiệt độ khí sấy nông sản dạng hạt

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -1- Phần 1 mở đầu Việt Nam là đất n−ớc nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, quanh năm ẩm −ớt. Thiên nhiên đã −u đãi cho chúng ta nhiều vùng đất thuận lợi cho phát triển nông nghiệp. Hiện nay, tỷ trọng nông nghiệp trong nền kinh tế quốc dân đã giảm nh−ng nó vẫn là một trong các động lực chính để phát triển kinh tế đất n−ớc. Đảng và Nhà n−ớc luôn luôn đề ra những mục tiêu và chính sách nhằm phát triển một nền sản xuất nông nghiệp hiện đại, vì vậy những năm gần đây chúng ta đã dành đ−ợc những thành tự to lớn trong sản xuất nông nghiệp: đảm bảo ổn định l−ơng thực trong n−ớc, khối l−ợng xuất khẩu ngày càng tăng, chất l−ợng sản phẩm xuất khẩu đ−ợc nâng cao... Nhu cầu l−ơng thực, thực phẩm trên thế giới ngày càng tăng, đi liền với nó là những yêu cầu ngày càng khắt khe về chất l−ợng và an toàn của sản phẩm. Những yêu cầu này là mục tiêu lớn để chúng ta h−ớng tới một nền nông nghiệp tiên tiến có sự quản lý trên quy mô lớn. Mặt khác khối l−ợng sản phẩm làm ra trong một thời vụ là rất lớn và không thể tiêu thụ ngay tại thời điểm đó, vì vậy công việc bảo quản sau thu hoạch đóng một vai trò hết sức quan trọng. Đây là vấn đề bức xúc đ−ợc nhiều ng−ời đầu t− quan tâm nghiên cứu nhằm tìm ra một biện pháp bảo quản tốt nhất, giảm thiểu những mất mát sau thu hoạch cho ng−ời nông dân, đồng thời đảm bảo chất l−ợng cho sản phẩm phục vụ chế biến sau này. Hầu hết các sản phẩm nông nghiệp ở dạng hạt nh−: lúa, ngô, đỗ, đậu, vừng... Ph−ơng pháp bảo quản thông dụng nhất là sấy khô sản phẩm đến một mức cần thiết. Tr−ớc đây ng−ời dân hay sử dụng ph−ơng pháp phơi nắng tự nhiên hay sấy thủ công... Những ph−ơng pháp này có nh−ợc điểm là năng suất thấp, sản phẩm không nh− ý muốn. Hiện nay đã có những thiết bị sấy có quy mô lớn hơn; tuy nhiên cũng chỉ là các thiết bị cải tạo từ những thiết bị sấy thủ công cũ, năng suất sấy có tăng nh−ng chất l−ợng không cao do con ng−ời vẫn can thiệp vào toàn bộ quá trình sấy; hoặc là những thiết bị sấy quy mô công nghiệp đ−ợc nhập ngoại, đ−ợc điều khiển tự động nh−ng rất đắt tiền, không Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -2- phù hợp với túi tiền của ng−ời nông dân. Vậy vấn đề đặt ra là phải chế tạo đ−ợc những hệ thống, thiết bị sấy quy mô vừa và nhỏ, vừa có giá thành rẻ lại có những tính năng tự động điều khiển hiện đại... Vấn đề này mang tính trách nhiệm đối với những sinh viên nghành cơ điện chúng tôi. Do đó chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “ ứng dụng vi điều khiển để điều khiển nhiệt độ khí sấy nông sản dạng hạt “. Mục đích và yêu cầu đặt ra của đề tài là thiết kế và lắp ráp mạch tự động điều khiển nhiệt độ khí sấy sử dụng vi điều khiển họ AVR. Nội dung của đề tài gồm sáu nội dung chính: 1. Tổng quan hệ thống sấy. 2. Tổng hợp hệ thống sấy nông sản dạng hạt. 3. Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ khí sấy. 4. Nghiên cứu phần lập trình cho mạch điều khiển. 5. Lắp ráp mạch và khảo sát. 6. Kết luận và đề nghị. phần 2 Nội dung Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -3- Ch−ơng1: Tổng quan chung về sấy nông sản dạng hạt 1. Các đặc tr−ng cơ bản của nông sản dạng hạt Nông sản dạng hạt là một trong những đặc tr−ng, là sản phẩm chủ yếu của sản xuất nông nghiệp. Nông sản dạng hạt có nhiều hình dáng, kích cỡ, màu sắc và kiểu vỏ cứng, mềm khác nhau… Tại thời điểm thu hoạch, l−ợng ẩm trong hạt đã giảm xuống, tuy nhiên tỷ lệ vẫn còn rất lớn. ẩm trong hạt tồn tại ở hai dạng: n−ớc tự do và n−ớc liên kết. Nông sản dạng hạt thuộc loại vật liệu keo xốp mao dẫn có tính đàn hồi co giãn, khi hút ẩm thì tr−ơng nở, khi thoát ẩm thì co ngót, khi khô quá thì hạt trở nên giòn. Khi còn ở trên cây, hạt hút ẩm từ môi tr−ờng và nhận ẩm từ cây đ−a lên, ẩm này vừa ở dạng lỏng, vừa ở dạng khí. Khi bị thấm −ớt ẩm lỏng ngấm vào trong hạt, dời chuyển trong hạt bằng cách thẩm thấu qua vách tế bào. ẩm liên kết trong hạt đ−ợc chia thành ba nhóm lớn: ẩm liên kết hoá học, ẩm liên kết hoá lý và ẩm liên kết cơ lý. ẩm liên kết hoá học là thành phần ẩm liên kết với thành phần khô để tạo thành một bộ phận trong thành phần hoá học của vật chất. Thành phần ẩm này đảm bảo tính vững bền của hạt vì vậy quá trình sấy không tách loại ẩm này ra khỏi hạt. ẩm liên kết hoá lý có hai loại: liên kết hấp thụ và liên kết thẩm thấu. Liên kết hấp thụ đ−ợc sinh ra do lực hút của các phần tử bề mặt hạt với các phần tử n−ớc trong môi tr−ờng lớn hơn lực liên kết giữa chúng làm cho các phần tử n−ớc từ môi tr−ờng bị hút dính vào bề mặt hạt. Lực liên kết hấp thụ bị yếu dần khi bề dày phân tử n−ớc bị hấp thụ tăng lên. Nếu độ ẩm của môi tr−ờng không khí không đổi thì đến một lúc nào đó quá trình hấp thụ sẽ bị ngừng lại, áp suất hơi n−ớc trên bề mặt vật bằng áp suất hơi n−ớc trong không khí. Lúc đó hạt ở trong trạng thái cân bằng ẩm với môi tr−ờng. Độ ẩm cân bằng ứng với tr−ờng hợp không khí bão hoà hơi n−ớc đ−ợc gọi là độ ẩm bão hoà của hạt. Trong quá trình hấp thụ, n−ớc chuyển từ trạng thái hơi trong không khí sang trạng thái lỏng trong hạt vì vậy nhiệt đ−ợc toả ra, hạt có thể bị Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -4- nén ép do tác dụng của lực liên kết giữa lớp ẩm bị hấp thụ và hạt. để tách ẩm hấp thụ ra khỏi hạt phải cấp một nhiệt l−ợng cần thiết để ẩm chuyển từ dạng lỏng sang dạng hơi thắng đ−ợc lực hấp thụ bề mặt và bay vào môi tr−ờng xung quanh. Liên kết thẩm thấu là mối liên hệ hoá lý giữa n−ớc với vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hoà tan ở ngoài và trong tế bào. Quá trình thẩm thấu không kèm theo hiện t−ợng toả nhiệt. Thực chất n−ớc thẩm thấu vào trong tế bào không khác n−ớc bình th−ờng, không có các chất hoà tan bởi các chất hoà tan không khuếch tán cùng với n−ớc vào trong tế bào. Năng l−ợng liên kết thẩm thấu rất nhỏ. Liên kết cơ lý giữa n−ớc và vật liệu hình thành do sức căng bề mặt trong các mao dẫn hoặc trên các mao dẫn, hoặc trên các bề mặt ngoài của vật. Mối liên kết cơ lý đ−ợc chia làm ba loại: liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính −ớt. Liên kết cấu trúc giữa n−ớc và vật liệu là mối liên kết do quá trình hình thành vật. Để tách n−ớc trong tr−ờng hợp này có thể dùng ph−ơng pháp nén ép hoặc ph−ơng pháp bay hơi. Liên kết mao dẫn là do n−ớc thâm nhập vào các ống mao dẫn trong cấu tạo của vật khi bị nhúng n−ớc hay do n−ớc ng−ng tụ trên bề mặt vật. ẩm mao dẫn đ−ợc tách ra bằng cách bay hơi hay bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn. Liên kết dính −ớt là do n−ớc bám dính vào bề mặt tự do. Liên kết dính −ớt dễ tách ra khỏi vật bằng ph−ơng pháp cơ học hoặc ph−ơng pháp sấy bay hơi. Độ ẩm của hạt đ−ợc biểu diễn d−ới dạng sau: - Độ ẩm tuyệt đối: Là tỷ số giữa l−ợng hơi n−ớc chứa trong hạt chia cho khối l−ợng phần khô của hạt theo công thức: 100(%) kG nG 0W = Trong đó: Gn - L−ợng n−ớc chứa trong vật (kg) chứa trong Gk (kg) vật khô tuyệt đối. - Độ ẩm t−ơng đối: Là tỷ số khối l−ợng n−ớc chứa trong vật chia cho khối l−ợng của vật: Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -5- 100(%) kGnG nG G nG W +== Trong đó: G = Gk + Gn Khối l−ợng của vật (kg) 100(%) 1000W 0WW += - Độ chứa ẩm: Là khối l−ợng n−ớc tính bằng kg chứa trong 1kg vật khô tuyệt đối. Độ chứa ẩm u đ−ợc xác định theo công thức: (kg/kg) kG nGu = Nh− vậy: W0 = 100u(%). Một đặc tr−ng cơ bản nữa của nông sản dạng hạt là tính chất nhiệt vật lý của nó. Tính chất này ảnh h−ởng trực tiếp lên quá trình sấy và tiêu hao nhiệt l−ợng trong quá trình sấy. Tính chất nhiệt vật lý đ−ợc biểu hiện thông qua giá trị nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt. Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm đ−ợc xác định theo công thức: nGkG nGnCGkCC + += (J/Kg.0C) 100 W).kCn(CkCC −+= Trong đó: Ck, Cn - nhiệt dung riêng của vật khô và n−ớc (J/Kg. 0C) Gk, Gn - khối l−ợng của vật khô và khối l−ợng n−ớc. Hệ số dẫn nhiệt đặc tr−ng cho quá trình truyền nhiệt từ bề mặt vào tâm hạt. Hệ số này phụ thuộc vào cấu trúc của hạt, độ ẩm và nhiệt độ của hạt. Đây là thông số rất phức tạp và khó xác định, ảnh h−ởng trực tiếp lên quá trình sấy. Tuy nhiên đây là hệ số dẫn nhiệt ít đ−ợc quan tâm trong quá trình sấy tĩnh đối l−u với tốc độ dòng khí nhỏ, nghĩa là hệ số truyền nhiệt đối l−u nhỏ và hạt đ−ợc xem t−ơng đ−ơng nh− vật mỏng. 2. Công nghệ sấy nông sản dạng hạt Muốn bảo quản đ−ợc lâu dài, phục vụ tốt cho việc chế biến sau này thì hạt nông sản cần đ−ợc sấy(làm khô) đến một độ ẩm phù hợp. Yêu cầu cơ bản Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -6- của hạt nông sản sau khi sấy là phải đảm bảo đ−ợc chất l−ợng cần thiết của hạt sấy và khối hạt. Hạt sấy không bị rạn nứt ngầm trong hạt và đốt nóng quá mức cho phép; đối với hạt để làm giống cho những vụ kế tiếp thì việc sấy lại có những yêu cầu khắt khe hơn, nhất là về nhiệt độ. Hạt là cơ thể sống nên phần phôi trong hạt chỉ có thể chịu đến một nhiệt độ nhất định, nếu nhiệt độ thân hạt quá cao sẽ làm xấu đi quá trình nảy mầm và phát triển của mầm hạt sau này, hoặc thậm chí có thể làm mất đi khả năng nảy mầm của hạt. Nguyên nhân gây rạn nứt ngầm trong hạt là do ứng suất cơ nhiệt phát sinh giữa các vùng trong hạt. ứng suất này xuất hiện khi tốc độ bốc hơi bề mặt hạt quá lớn làm lớp bề mặt khô nhanh trong khi c−ờng độ di chuyển ẩm từ vùng trung tâm ra mặt hạt quá nhỏ tạo ra sự chênh lệch lớn về độ ẩm trong hạt. Đối với khối hạt yêu cầu cơ bản của quá trình sấy là phải đảm bảo sự đồng đều độ ẩm trong khối hạt. Thông qua các tài liệu nghiên cứu khoa học ta có đ−ợc: độ ẩm bảo quản một số loại hạt và nhiệt độ đốt nóng cho phép cho trong Bảng 1. Bảng 1. Nhiệt độ đốt nóng cho phép và độ ẩm gới hạn Tên nông sản Độ ẩm giới hạn Nhiệt độ đốt nóng hạt khi sấy (0C) Lúa Ngô Đậu Lạc Vừng Thầu dầu 13ữ13,5 13ữ13,5 11ữ12 8ữ9 7ữ8 6ữ7 35 50 30 50 50 50 Sấy là một trong những công đoạn quan trọng nhất của công nghệ sau thu hoạch. Thực tế có hai ph−ơng pháp sấy chính là: ph−ơng pháp sấy tự nhiên và ph−ơng pháp sấy nhân tạo. + Ph−ơng pháp sấy tự nhiên: Nông sản sau khi đ−ợc thu hoạch đ−ợc đem ra phơi trực tiếp d−ới ánh nắng mặt trời, hoặc gián tiếp qua các thiết bị sấy mặt trời. Nguồn bức xạ hồng Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -7- ngoại từ mặt trời sẽ đốt nóng hạt nông sản và làm bay hơi ẩm có trong nông sản. Ph−ơng pháp này đã đ−ợc sử dụng từ rất lâu và đến nay nó vẫn đ−ợc sử dụng nh− là một ph−ơng pháp chính ở nhiều vùng sản xuất nông nghiệp trên cả n−ớc. Ph−ơng pháp sấy tự nhiên có −u điểm là nguồn năng l−ợng rất dồi dào và rẻ tiền, thiết bị sấy đơn giản... do đó sẽ giảm đ−ợc giá thành sản xuất. Mặt khác ph−ơng pháp sấy tự nhiên cũng có không ít nh−ợc điểm nh−: tốn diện tích sử dụng cho việc phơi nắng, nhiệt l−ợng sấy không liên tục và đồng đều, phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên, khó có thể điều chỉnh l−ợng nhiệt... + Ph−ơng pháp sấy nhân tạo: Để có thể làm khô một khối l−ợng lớn sản phẩm trong thời gian ngắn và chủ động thực hiện quá trình sấy ở mọi điều kiện thời tiết, ng−ời ta sử dụng ph−ơng pháp sấy nhân tạo. Ph−ơng pháp này đắt tiền hơn và phức tạp hơn ph−ơng pháp sấy tự nhiên, nh−ng nó là điều cần thiết để có đ−ợc sản phẩm đồng nhất đem ra thị tr−ờng. Nguồn nhiệt l−ợng để thực hiện quá trình sấy đ−ợc tạo ra bằng nhiều ph−ơng pháp khác nhau. Ngày nay, các thiết bị sấy đ−ợc chế tạo dựa trên một hay kết hợp nhiều ph−ơng pháp sấy khác nhau. Ph−ơng pháp sấy đ−ợc sử dụng rộng rãi nhất để sấy nông sản dạng hạt là sấy đối l−u. Ph−ơng pháp sấy đối l−u có tác nhân sấy là không khí nóng, nhiệt l−ợng đ−ợc truyền từ tác nhân sấy sang hạt sấy bằng ph−ơng pháp đối l−u, năng l−ợng truyền nhiệt đối l−u sẽ đốt nóng hạt và làm bốc hơi n−ớc từ bề mặt hạt. Hơi n−ớc bốc ra từ hạt sẽ đ−ợc dòng khí mang theo ra ngoài. Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối l−u: t0,d0,φ0 t1,d1,φ1 t2,d2,φ2 Hình 1: Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối l−u Không khí nóng mang ẩm Buồng tạo nhiệt Buồng sấy đối l−u Không khí Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -8- Trong đó: tx,dx,φx lần l−ợt là nhiệt độ, l−ợng ẩm, thuỷ phần của dòng khí. Ph−ơng pháp sấy đối l−u đ−ợc phân thành hai nhóm phụ thuộc vào trạng thái của hạt ẩm trong quá trình sấy. Nếu khối hạt sấy bất động còn quá trình sấy đ−ợc hình thành do dòng khí nóng chuyển động luồn lách giữa lớp hạt thì quá trình này đ−ợc gọi là sấy tĩnh. Ng−ợc lại, tr−ờng hợp hạt sấy chuyển động ng−ợc chiều với dòng khí sấy thì quá trình sấy đ−ợc gọi là sấy động. - Thiết bị sấy tĩnh th−ờng đ−ợc thiết kế theo hai dạng là dạng hầm và dạng cột: Hình 2: Mô hình thiết bị sấy kiểu hầm Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -9- Hình 3: Mô hình thiết bị sấy kiểu cột Trong những thiết bị sấy này, tác nhân sấy đi từ d−ới lên trên xuyên qua lớp liệu. Quá trình luồn lách qua lớp liệu khí nóng sẽ truyền nhiệt l−ợng của mình sang cho lớp liệu để đốt nóng nó và cho n−ớc bốc lên từ liệu sấy. Hơi n−ớc bốc ra đ−ợc dòng khí sấy cuốn theo và đ−a ra ngoài. Rõ ràng lớp liệu d−ới cùng sẽ tiếp xúc với dòng khí sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp nên sẽ đ−ợc đốt nóng nhanh hơn và cũng khô nhanh hơn. Càng lên cao nhiệt độ của khí sấy càng giảm còn độ ẩm càng tăng, vì vậy tốc độ đốt nóng của liệu càng chậm, vật liệu sấy lâu khô hơn. Nh− vậy nh−ợc điểm của những thiết bị sấy này là quá trình sấy không đồng đều. Tuy nhiên −u điểm của thiết bị sấy này là đ−ợc tạo nên từ những vật liệu đơn giản giá thành rẻ, thích hợp với quy mô hộ nông dân. - Thiết bị sấy động gồm có thiết bị sấy mẻ và thiết bị sấy tuần hoàn. Sự khác biệt chính là sự chuyển động đảo trộn của hạt liệu trong quá trình sấy, vì vậy quá trình sấy là đồng đều. Khi sấy bằng thiết bị sấy mẻ, từng mẻ liệu đ−ợc Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -10- sấy khô tr−ớc rồi đến mẻ liệu khác. Sấy tuần hoàn thì ng−ợc lại, hạt liệu đ−ợc ra vào tuần hoàn đến khi nào khô đồng đều thì kết thúc quá trình sấy. ● Một số thiết bị sấy có quy mô lớn: Sự khó khăn về mặt bằng sản xuất đã khiến cho những thiết bị sấy nhỏ quy mô hộ gia đình nhiều khi cũng không thích ứng, cần thiết phải có những thiết bị sấy quy mô lớn hơn mang kiểu dáng công nghiệp. D−ới đây là hình ảnh một số thiết bị sấy có quy mô công nghiệp ở Việt Nam và trên thế giới: Hình 4. Thiết bị sấy kiểu băng tải 1 - Phễu đổ nhiên liệu 2 - Buồng sấy 3 - Băng tải 4 - Quạt đẩy 5 - Calorife 6 - Cửa xả nguyên liệu 7 - Cửa thoát khí thải Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -11- Hình 5. Thiết bị sấy kiểu thùng quay 1 - Thùng quay 2 - Lò sấy 3 - Buồng trung gian 4 - Cửa thoát khí thải 5 - Cửa xả nguyên liệu Hình 6. Thiết bị sấy băng tải 1 - Phiễu chứa nhiên liệu 2 - Băng tải 3 - Buồng đốt 4 - Vít tải 5, 7 - Quạt hút 6 - T−ờng chấn Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -12- Hình 7. Thiết bị sấy hạt theo chu kỳ 1 - Phiễu tiếp liệu 2 - Gàu tải 3 - Máy liên hoàn tách tạp chất 4 - Thiết bị sấy 5 - Vít tải 6 - Thiết bị phân phối hạt và xilo 7 - Xilo ủ thóc 8 - Xilo chứa hạt khô 9 - Băng tải Trong điều kiện sản xuất hiện nay, có nhiều yếu tố trong sản xuất nh−: quy mô sản xuất và hình thức sản xuất đã có nhiều thay đổi, sản phẩm đa dạng hơn, hội nhập, yêu cầu thị tr−ờng cao hơn... đòi hỏi nền sản xuất nông nghiệp của n−ớc ta phải có nhiều thay đổi để đáp ứng đ−ợc nó. Lĩnh vực sấy nông sản cũng không nằm ngoài sự thay đổi đó. Chúng ta cần có những hệ thống sấy quy mô lớn, năng suất cao, hoạt động một cách tự động đ−a nông sản tới những chỉ tiêu đ−ợc yêu cầu... Đây cũng chính là nội dung và yêu cầu chúng tôi muốn h−ớng tới trong đề tài này. Ch−ơng 2: Tổng hợp hệ thống sấy nông sản dạng hạt Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -13- Xây dựng mô hình toán học cho đối t−ợng điều khiển là b−ớc đầu tiên và cũng là b−ớc quan trọng nhất để đi đến bài toán điều khiển. Để có thể xây dựng đ−ợc mô hình hệ thống ng−ời ta có hai ph−ơng pháp: - Ph−ơng pháp lý thuyết - Ph−ơng pháp thực nghiệm. Trong tr−ờng hợp này, thông tin mô hình hệ thống đã đ−ợc xác lập thông qua những yêu cầu của đề tài. Mặt khác hệ thống thí nghiệm sấy đã đ−ợc thiết kế sẵn, vì vậy chúng tôi sử dụng ph−ơng pháp thực nghiệm để khảo sát hệ thống này, xây dựng mô hình động học cho hệ thống để rồi chọn ra bộ điều khiển hợp lý cho hệ thống. • Thông tin hệ thống: Hình 8: Mô hình sấy thí nghiệm + Quạt gió ly tâm + Buồng đốt Điện áp cấp 220V - 50Hz Dây đốt Ni - Cr Tốc độ 2850V/p Điện áp cung cấp 220V – 50Hz Công suất 240W Công suất 2KW. 1. Xác định đặc tính động học của hệ thống 1.1. Cơ sở lý thuyết Để khảo sát hệ thống ta tác động vào hệ thống một xung nhiễu bậc thang và quan sát đầu ra. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -14- Ng−ời ta chia đối t−ợng khảo sát ra làm hai loại cơ bản: - Đối t−ợng có tính tự cân bằng là đối t−ợng có khả năng tự hiệu chỉnh trở lại trạng thái cân bằng khi có nhiễu tác động phá vỡ cân bằng (đối t−ợng tĩnh). - Đối t−ợng không tự cân bằng là đối t−ợng không có khả năng trở lại trạng thái cân bằng khi có nhiễu phá vỡ sự cân bằng của nó. Đối t−ợng ở đây là dòng khí sấy mang nhiệt độ. Khi cấp nguồn điện cho sợi đốt, nhiệt độ của sợi đốt làm nóng luồng không khí do quạt thổi tới. Nhiệt độ dòng khí tăng lên, nó tăng lên đến một nhiệt độ nào đó và không tăng nữa, nó giữ ổn định ở nhiệt độ này. Nh− vậy đối t−ợng của ta ở đây chính là đối t−ợng có tính tự cân bằng. Dạng tổng quát hàm truyền đạt của đối t−ợng có tính tự cân bằng đ−ợc mô tả nh− sau: Wdt(s) = KdtW0(s) e -τs Trong đó: Kdt: Hệ số truyền của đối t−ợng, τ : Thời gian trễ. W0(s) = 1s1na... 1ns1a ns0a 1s1mb... 1ms1b ms0b +−++−+ +−++−+ Trong thực tế khâu tĩnh có thể lấy một trong các dạng điển hình sau: + Khâu quán tính bậc nhất: PT1: W(s) = s1T1 Kdt + Đặc tính đ−ờng quá độ của hàm truyền nh− Hình 9a. + Khâu quán tính bậc 2: Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -15- PT2: W(s) = s)2Ts)(11T(1 dtK ++ Đặc tính đ−ờng quá độ của hàm truyền PT2 nh− Hình 9b. + Khâu quán tính bậc n: PTn: W(s) = nTs)(1 dtK + Đặc tính đ−ờng quá độ của hàm truyền PTn nh− hình 9b. a, b, Hình 9: đặc tính quá độ của hàm truyền Ngoài ra còn có các mô hình Lag, và mô hình dao động bậc hai tắt dần. Dạng hàm truyền của nó nh− sau: + Mô hình Lag: W(s) = smT1 s)tT(1dtK + + (Tt < Tm) + Mô hình dao động bậc hai tắt đần: W(s) = 2q2qDs2s 2kq ++ (0<D<1). ● Xác định hằng số thời gian T1 của PT1: Mỗi một khâu có một ph−ơng pháp xác định hằng số thời gian khác nhau. Khâu có cấu trúc càng phức tạp thì việc xác định các thông số càng khó h(t) t t h(t Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -16- khăn. Trong phạm vi đề tài này chỉ nêu lên cách xác định các thông số cho mô hình PT1. Việc xác định các thông số (Kdt, T1) của PT1 đ−ợc thực hiện qua các b−ớc sau: + Kẻ tiếp tuyến với đ−ờng đặc tính tại t = 0. + Xác định giao điểm của đ−ờng tiếp tuyến đó với đ−ờng tiệm cận Kdt= h(∞ ). + Hoành độ của giao điểm vừa xác định chính là tham số T1 cần tìm. Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp này là phụ thuộc nhiều vào độ chính xác việc kẻ tiếp tuyến. Nếu đặt sai tiếp tuyến tại 0 mà h(t) lại có hệ số khuếch đại Kdt lớn thì kết quả T1 sẽ có sai số lớn. Để tránh đ−ợc điều này ta đi từ hàm truyền W(s), để có H(s) = s W(s) rồi chuyển ng−ợc sang miền thời gian sẽ đ−ợc: h(t) = k(1- T t e − ). Nh− vậy tại thời điểm T : h(T) = k(1-e-1) ≈ 0.632*K. Nói cách khác tại đúng thời điểm T hàm h(t) sẽ đạt 63.2% giá trị cực đại. Vậy để xác định T thì sau khi tìm đ−ợc K ta tính h(T) = 0.632*K rồi từ đó suy ng−ợc lại T. Trong nhiều tr−ờng hợp không thể tạo ra đ−ợc một nhiễu bậc thang 1(t), ng−ời ta có thể dùng tín hiệu là A*1(t). Khi đó hệ số khuếch đại của mạch đ−ợc tính nh− sau: K = A )h(∞ . Hằng số thời gian đ−ợc xác định từ h(T) = 0.632*h(∞ ). 1.2. Xác định đặc tính động học hệ thống sấy Thiết bị phục vụ cho việc khảo sát bao gồm: Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -17- + Hệ thống sấy thí nghiệm, + Đồng hồ bấm giây, + Nguồn điện 220V - 50Hz. Cho đối t−ợng chịu tác động của một nhiễu A*1(t) - tức là đóng trực tiếp nguồn 220V-50Hz vào dây toả nhiệt, quạt gió đ−ợc bật tr−ớc đó. Bấm thời gian theo dõi nhiết độ dòng khí sấy. Các thông số đ−ợc thể hiện trong Bảng 2. Bảng 2: Thông số khảo sát hệ thống sấy thí nghiệm Thời gian (s) Nhiệt độ (oC) Thời gian (s) Nhiệt độ (oC) Thời gian (s) Nhiệt độ (oC) 2.155 1 22.20 20 64.8 31 3.78 2 24.55 21 71.1 32 5.47 4.5 26.82 22 77.14 33 8 7 29.71 23 85.125 34 9.79 9 33.27 24 93.12 35 11.76 11 37.11 25 98.97 36 13.38 13.5 41.76 26 107.82 37 15.19 15 46.75 27 116.03 38 16.89 16.5 51.14 28 125.89 39 18.68 17.5 54.55 29 138.55 39 20.41 19 57.87 30 ... ... Từ bảng số liệu ta có đ−ợc đ−ờng đặc tính của hệ thống nh− sau: Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -18- Hình 10: Đặc tính của hệ thống sấy thí nghiệm Nghiên cứu và tính toán của các nhà khoa học khẳng định: quá trình nhiệt là quá trình có trễ. Cách đo thủ công mà ta tiến hành nh− trên không thể đo đ−ợc chính xác thời gian trễ, do đó chỉ có thể lấy gần đúng thời gian trễ bằng 2.15(s) (là thời gian khi bật máy đến khi bắt đầu có sự thay đổi nhiệt độ). Để xác định đ−ợc thông số của đối t−ợng ta dịch gốc đi một đoạn 2.15(s) và nh− đặc tính trên có thể coi đối t−ợng của chúng ta là mô hình PT1. Việc xác định các thông số của nó theo lý thuyết đ−ợc trình bày ở trên. Ta có h(∞ ) = 39 theo công thức: K = 1250 )h(∞ = 1250 39 = 0.0312. Để tìm hằng số thời gian T ta tính : h(T) = 0.632*h(∞ ) = 24.648 Suy ra: T = 36.0854(s). Vậy hàm truyền của đối t−ợng là: 2.15.se 36.0854.s1 0.0312 (s)dtW − += Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -19- 2. Xác định thông số cho bộ điều chỉnh 2.1. Cơ sở lý thuyết Phần tổng hợp hệ thống trên đã tạo b−ớc đệm để chúng tôi đi đến chọn độ điều chỉnh cho hệ thống. Để có thể chọn lựa đ−ợc bộ điều khiển phù hợp ta hãy xem xét một số chỉ tiêu sau: a. Sai lệch tĩnh: Sai lệch tĩnh xác định độ chính xác tĩnh của hệ. Sai lệch tĩnh đ−ợc tính theo định lý tới hạn: lims.E(s) 0s lime(t) t )e(ese → =∞→=∞= . b. L−ợng quá điều chỉnh. L−ợng quá điều chỉnh đ−ợc xác định bởi trị số cực đại của hàm quá độ so với trị số xác lập của nó: .100 )h( )h(maxhδ% ∞ ∞−= . c. Thời gian quá độ: Thời gian quá độ Tqd đ−ợc xác định bởi thời điểm mà hàm quá độ h(t) không v−ợt ra khỏi biên giới của miền giới hạn ∆ quanh trị số xác lập: ∆ = ± 5% )h(∞ . d. Thời gian đáp ứng: Thời gian đáp ứng Tm xác định bởi thời điểm mà hàm quá độ lần đầu tiên đạt giá trị xác lập )h(∞ khi có quá điều chỉnh. e. Thời gian có quá điều chỉnh: Thời gian có quá điều chỉnh tσ đ−ợc xác định bởi thời điểm hàm quá độ đạt cực đại. f. Số lần giao động: Số lần giao động N đ−ợc tính bởi số lần mà hàm quá độ dao động quanh trị số xác lập trong thời kỳ quá độ (0 <t<Tqd). L−ợng quá điều chỉnh σ, thời gian có quá điều chỉnh tσ và số lần dao động đặc tr−ng cho tính chất suy giảm của quá trình quá độ. Thời gian quá độ Tqd và thời gian đáp ứng Tm đặc tr−ng cho tính tác động nhanh của hệ. Những bộ điều chỉnh điển hình: + Bộ điều chỉnh tỷ lệ (P) Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -20- a) b) c) d) e) f) e(t) t t t t t t + Bộ điều chỉnh tích phân (I). +Bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI). +Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD). +Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID) là bộ điều chỉnh đ−ợc kết hợp từ ba bộ điều chỉnh khác nhau. Bộ điều chỉnh giản đơn nhất là bộ điều chỉnh tỷ lệ (P). Tác dụng của nó nh− một khâu khuếch đại với hệ số thay đổi đ−ợc. Thay đổi hệ số khuếch đại có thể làm thay đổi đ−ợc sai lệch tĩnh nh−ng không thể triệt tiêu đ−ợc sai lệch tĩnh vì càng tăng hệ càng mất khả năng ổn định. Tác dụng của phần tử tích phân (I) trong bộ điều chỉnh là triệt tiêu sai lệch tĩnh. Vai trò của phần tử vi phân (D) là cải thiện qúa trình quá độ nếu xác định đúng thông số của nó. Sự ảnh h−ởng của các bộ điều chỉnh đối với sai lệch tĩnh e(t) đ−ợc cho trong hình sau: Hình 11: Sai lệch tĩnh qua các bộ điều chỉnh a) Tr−ờng hợp không có bộ điều chỉnh. b) Bộ điều chỉnh tỷ lệ làm giảm sai lệch nh−ng không thể triệt tiêu vì hệ số khuyếch đại không thể quá lớn. c) Bộ điều chỉnh tích phân (I) có thể triệt tiêu sai lệch tĩnh. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -21- d) Bộ điều chỉnh tỉ lệ tích phân (PI) có thể thay đổi đ−ợc tốc độ giảm sai lệch. e) Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD) cải thiện chất l−ợng động nh−ng không triệt tiêu đ−ợc sai lệch tĩnh. f) Bộ điều chỉnh tỉ lệ vi tích phân (PID) kết hợp đ−ợc các đặc điểm của ba thành phần P, I, D. ● Chọn bộ điều chỉnh của các hệ ổn định và có trễ Ví dụ đối t−ợng có hàm truyền: .s.e 1s.T1 1KG(s) τ−+= τ - Thời gian thuần trễ của đối t−ợng. Nếu dùng bộ điều chỉnh PI ta có: is.T is.T1 cK(s)cG += Xét sơ đồ sau: Thông th−ờng, thông số tối −u đ−ợc chọn là Ti=T1 và hệ hở có hàm truyền: .se 1s.T K (s)G(s)cGW(s) τ−== với K=K0 .K1 Môđun và pha nh− đ−ợc xác định nh− ở Hình 12: i i c Ts Ts K . .1+ 1 . 1 .1 Ts eK s + −τ x e u y Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -22- │W(jω)│= 1ω.T K 2 .ω πτπϕ −−= Nếu độ dự trữ ổn định về biên độ đ−ợc chọn là 0,5 t−ơng ứng với góc dịch pha: 2 .ω πτπϕ −−=− Từ đó: │W(jωπ) │= τ π 1T. 2 K Với độ dự trữ ổn định trên ta chọn K sao cho: τ π 1T. 41 .KcKK ≤= . 2.2. Chọn bộ điều chỉnh và xác định thông số bộ điều chỉnh Nh− đã đ−ợc chỉ ra ở trên, hàm truyền của đối t−ợng nh− sau: 2,15.s.e 136,0854.s 0,0312(s)dtW − += . Ta chọn bộ điều chỉnh PI với các thông số sau: Ti=T1=36,08 (s). 422,44.cK2,15 36,08. 41 KcKK ≤⇒≤= π Vì hệ thống cũng không cần có sự tác động quá nhanh nên ta chọn: Kc= 400. Nh− vậy bộ điều chỉnh PI đ−ợc chọn nh− sau: 36,08.s 36,08.s1400.(s)cW += . Hình 12: Môđun và pha hệ hở Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -23- Để thực hiện hàm này trong vi điều khiển ta phải tiến hành chuyển nó về ph−ơng trình sai phân. Chọn thời gian trích mẫu là 1 giây, tiến hành rời rạc hoá theo ph−ơng pháp số Tustin ta có hàm truyền theo z nh− sau (thay 1z 1z. T 2s + −= , với T là thời gian trích mẫu): 1z 394,5405,5.z(z)cW − −= hay: 1z 394,5405,5.z U(z) Y(z) − −= Y(z)394,5.U(z)z)405,5.z.U(Y(z).z 394,5.U(z)z)405,5.z.U(Y(z)Y(z).z +−=⇔ −=−⇔ (1) Với Y(z) là tín hiệu ra rời rạc, U(z) là tín hiệu vào rời rạc. Theo tính chất dịch dịch hàm gốc: zn.Y(z)=Y(k+n) (2) Thay (2) vào (1) ta có: Y(k)394,5.U(k)1)405,5.U(k1)Y(k +−+=+ . Sau khi xác định đ−ợc bộ điều khiển và thông số của nó ta tiến hành khảo sát chúng. Kết quả khảo sát đ−ợc cho trong Hình 13: Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -24- Hình 13: Kết quả khảo sát hệ thống khi có bộ điều chỉnh Với kết quả nh− trên, khi có bộ điều chỉnh thời gian quá độ là 16(s). Trong khi nếu không có bộ điều chỉnh thời gian để cho nó ổn định mất khoảng 200(s). Độ sai lệch tĩnh khi có bộ điều chỉnh bằng 0. Bộ điều chỉnh này đã đáp ứng đ−ợc yêu cầu bài toán đề ra, vì vậy chúng tôi chọn bộ điều chỉnh này để diều khiển hệ thống sấy. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -25- Ch−ơng 3: Giới thiệu chung về vi điều khiển, họ vi điều khiển AVR và vi điều khiển ATMEGA8535 1. Tổng quan chung về vi điều khiển 1.1. Các họ vi điều khiển Bộ vi điều khiển (Microcontroller) là một mạch tích hợp trên một chip, có thể lập trình đ−ợc với hệ thống tập lệnh để thực hiện một yêu cầu nào đó. Bộ vi điều khiển đ−ợc ra đời sau Bộ vi xử lý. Về thực chất thì Bộ vi điều khiển là Bộ vi xử lý, nh−ng có thêm các mạch điện hỗ trợ, các thành phần I/O ngoại vi và bộ nhớ ( bộ nhớ ch−ơng trình và bộ nhớ dữ liệu)... đ−ợc tích hợp cùng nhau trên một bản mạch. Bộ vi điều khiển đầu tiên ra đời năm 1971, là bộ vi điều khiển 4 bít TMS1000 của Công ty Texas Instruments. Sau khi dòng sản phẩm này ra đời, nó đã đ−ợc ứng dụng vào rất nhều lĩnh vực: sản xuất máy tính bỏ túi, điều khiển lò vi sóng, sử dụng cho các bộ định thời công nghiệp. Năm 1976, Công ty Intelligen Electronics (INTEL) cho ra đời thế hệ đầu tiên của vi điều khiển 8 bít với tên gọi 8084. Trong bộ vi điều khiển này, ngoài bộ vi xử lý trung tâm ng−ời ta tích hợp thêm các bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ ch−ơng trình, các cổng vào ra số, các bộ định thời... Đến năm 1980, thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển ra đời, đó là vi điều khiển 8051. Hiện nay vi điều khiển 8051 đ−ợc sản xuất và sử dụng rộng rãi. Bên cạnh đó các công ty sản xuất cũng phát triển cho mình những bộ vi điều khiển có tính năng đặc biệt làm cho thị tr−ờng vi điều khiển ngày càng phong phú và đa dạng. Một số họ vi điều khiển thông dụng ngoài họ 8051 hiện nay: + Họ 68HC của Motorola, + Họ Z8 của Zilog, + Họ PIC của Microchip, + Họ H8 của Hitachi, + Họ AVR của Atmel, + Họ CY(PSOC) của Cypress Microsystem. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -26- 1.2. Họ vi điều khiển AVR Họ vi điều khiển AVR là một sản phẩm của Công ty Atmel mới đ−ợc tung ra thị tr−ờng trong những năm gần đây. Đối với thị tr−ờng Việt Nam thì thực sự AVR còn rất mới. Nằm trong số những thế hệ vi điều khiển ra đời sau cho nên AVR có những tính năng và cấu trúc hơn hẳn những loại vi điều khiển thế hệ cũ nh− 8051... Những đặc tính nổi bật của AVR: • Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp - l−u trữ (load - store) và 32 thanh ghi chức năng. • Kiến trúc đ−ờng ống lệnh kiểu hai tầng (two stage instruction pipeline) cho phép tăng tóc độ thực thi lệnh. • Chứa nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chíp, bao gồm cổng I/O số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EPROM, bộ định thời, UART, bộ định thời RTC, bộ định thời WHATDOC, bộ điều chế độ rộng xung PWM... o Đến 48 đ−ờng dẫn vào/ra (I/O) lập trình đ−ợc, o Đến 2 bộ truyền nhận UART lập trình đ−ợc, o Một dao diện SPI đồng bộ, o Một dao diện SPI đồng bộ t−ơng thích I2C, o Đến 3 bộ Timer/Counter 8 bit, o Một bộ Timer/Counter 16 bit với chức năng so sánh và bắt mẫu, o Đến 4 lối ra điều biến độ rộng xung PWM, o Một đồng hồ thời gian thực RTC, o Một bộ biến đổi ADC 10 bit có đến 8 kênh lối vào, o Một bộ phát hiện trạng thái sụt điện áp nguồn nuôi, o Một bộ so sánh Analog, o Một bộ định thời Watchdog. • Hầu hết các lệnh, chỉ trừ lệnh nhảy và nạp/l−u trữ, đều đ−ợc thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp. • Hoạt động với tốc độ đồng hồ từ 6MHz đến 12MHz mà không phải thông qua bộ chia tần, tốc độ xử lý đến 12MPIS (triệu lệnh trong một giây). Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -27- Hình 14: So sánh thời gian thực hiện lệnh ở các bộ vi điều khiển khác nhau • Bộ nhớ ch−ơng trình và bộ nhớ dữ liệu đ−ợc tích hợp ngay trên chíp: o Bộ nhớ EPROM xoá đ−ợc kiểu Flash, o Bộ nhớ EEPROM hay PROM xoá đ−ợc bằng điện, nh−ng nội dung nhớ vẫn giữ nguyên khi mất điện, o Bộ nhớ RAM tĩnh. • Khả năng lập trình ngay trên mạch khi mạch đang đ−ợc cấp điện mà không cần phải tháo chíp ra. • Đ−ợc đóng trong vỏ với 8 chân đến 64 chân để thích ứng với nhiều ứng dụng khác nhau. • Có tốc độ xử lý lớn hơn đến 12 lần so với các vi điều khiển CISC thông th−ờng. • Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao, chẳng hạn nh− C... • Chế tạo trên công nghệ CMOS 0,6μm và tiến tới là công nghệ 0,35μm, nhằm đạt đến tốc độ xung nhịp cao hơn 50% hiện nay, còn dòng điện tiêu thụ sẽ giảm đi một phần ba. • Điện áp làm việc đ−ợc phép thay đổi trong khoảng rộng, từ 2,7V đến 6,0V. • Kiến trúc đơn giản và hợp lý giúp cho ng−ời sử dụng dễ dàng làm quen. • Tập lệnh đến 133 lệnh, cho phép dễ dàng lập trình bằng hợp ngữ hoặc ngôn ngữ C. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -28- 1.3 Lý do lựa chọn vi điều khiển họ AVR Trên thị tr−ờng có tới hàng trăm loại vi xử lý và vi điều khiển vì thế việc lựa chọn một loại cụ thể phù hợp với ứng dụng của ta trở thành một công việc hết sức khó khăn. Thông th−ờng việc lựa chọn phụ thuộc vào một số yếu tố nh−: yếu tố tính năng công việc, giá thành, thị tr−ờng, khả năng thiết kế... Nếu xét trên ph−ơng diện số l−ợng thì một con vi điều khiển họ AVR có giá thành cao gấp nhiều lần so với một con vi điều khiển cùng kích cỡ loại cũ nh− 89C51, nh−ng xét trên ph−ơng diện chức năng và ứng dụng thì giá thành của AVR lại rẻ hơn rất nhiều. Để có thể có đ−ợc những chức năng nh− của AVR thì 89C51 cần rất nhiều mạch hỗ trợ bên ngoài, giá thành của những mạch ngoài sẽ làm tăng giá thành chung và kích cỡ mạch, công suất tiêu thụ vì thế cũng tăng lên rất nhiều. Ng−ợc lại, với AVR do đ−ợc tích hợp nhiều thành phần ngoại vi trên cùng một vỏ chíp nên kết cấu mạch nhỏ gọn hơn nhiều, theo đó giá thành và công suất tiêu thụ cũng giảm đi... Ngày nay những ứng dụng điện tử và điều khiển đòi hỏi phải thật nhỏ gọn và có trình độ công nghệ cao. Ng−ời làm kĩ thuật phải luôn luôn tìm tòi, khám phá những thành tựu công nghệ. Vì những lý do trên, chúng em quyết định chọn họ vi điều khiển AVR mà cụ thể là vi điều khiển ATMEGA8535 làm đối t−ợng nghiên cứu và công cụ thiết kế mạch phục vụ cho đề tài. 2. Cấu trúc vi điều khiển ATMEGA8535 2.1. Tổng thể * ATMEGA8535 là một thành viên của họ điều khiển AVR 8 bit: • Hoạt động với mức tích cực cao, công suất thấp. • Dải điện áp hoạt động từ 2,7V đến 5,5V. * Đ−ợc xây dựng dựa trên cấu trúc RISC với 130 lệnh, phần lớn lệnh đ−ợc thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp: • 32 thanh ghi đa năng 8 bit. • Khả năng xử lý lên tới 16 MPIS ở tần số đồng hồ 16 MHz. * Bộ nhớ ch−ơng trình và bộ nhớ dữ liệu: • 8 Kbytes bộ nhớ Flash. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -29- • Khả năng ghi xoá đến 10 000 lần. • Lựa chọn mã vùng khởi động, khả năng khoá bit độc lập, cho phép đọc khi vẫn ghi dữ liệu. • 512 Bytes EEPROM có thể ghi xoá đến 100 000 lần. • 512 Bytes RAM có thể khoá ch−ơng trình bằng phần mềm. * Các chức năng ngoại vi: • Hai bộ định thời / bộ đếm 8 bit với khả năng bắt mẫu và so sánh. • Một bộ định thời / bộ đếm 16 bit với khả năng bắt mẫu và so sánh. • Đồng hồ thời gian thực với bộ dao động riêng. • 4 kênh điều rộng xung (PMW). • 8 kênh chuyển đổi t−ơng tự / số (ADC) 10 bit, trong đó: 8 kênh đơn hoàn tất, 7 kênh khác cho kiểu vỏ vuông (TQFP), 2 kênh khác với tốc độ ch−ơng trình x1, x10, x200 cho kiểu vỏ vuông. • Hai đ−ờng giao tiếp nối tiếp định h−ớng byte. • Bộ lập trình truyền nhận nối tiếp USART. • Giao tiếp nối tiếp SPI chủ / tớ. • Bộ định thời Watchdoc với bộ dao động riêng trên chíp. • Bộ so sánh Analog trên chíp. * Các chức năng đặc biệt: • Khởi động lại hệ thống, ch−ơng trình phát hiện mất nguồn. • Bộ dao động, lọc chuẩn RC bên trong. • Ngắt ngoài và ngắt trong. • 6 trạng thái ngủ (sleep): rỗi (idle), giảm ồn, giữ nguồn, nguồn thấp, standby, mở rộng standby. *Sơ đồ khối tổng thể của ATMEGA8535: Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -30- Hình 15: Sơ đồ khối của vi điều khiển ATMEGA8535 * Kiểu đóng vỏ ATMEGA8535 có 2 kiểu đóng vỏ chính: Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -31- Hình 16: Kiểu vỏ DIP Hình17: Kiểu vỏ TQFP 2.2. Mô tả chân * Chân nguồn: + Chân 10 cấp nguồn Vcc (+5V) + Chân 11 nối đất GND (0V). * PortA (PA7/ADC7 ... PA0/ADC0) nằm từ chân 33 đến chân 40 là đầu vào của bộ chuyển đổi A/D. Bảng 3: Bảng chức năng các chân PortA Nếu bộ chuyển đổi A/D không đ−ợc sử dụng thì PortA đóng vai trò nh− một cổng I/O 8 bit. PortA đ−ợc nối với các điện trở treo bên trong. Khi PortA đ−ợc sử dụng nh− một cổng vào mà bị kéo sụt áp thì nó sẽ đóng vai trò nh− một nguồn dòng nếu các điện trở treo hoạt động. * PortB (PB0 ... PB7) nằm từ chân 1 đến chân 8. PortB đóng vai trò nh− cổng I/O hai trạng thái có điện trở treo bên trong. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -32- Bảng 4: Bảng chức năng chân PortB Khi PortB đ−ợc sử dụng nh− một cổng vào mà bị kéo sụt áp thì nó sẽ đóng vai trò nh− một nguồn dòng nếu các điện trở treo hoạt động. Ngoài ra nó còn một số chức năng phục vụ cho những biến đặc biệt khác: + SCK - PortB, Bit 7 là chủ khi nó đ−a ra xung đồng hồ và là tớ khi nó nhận vào xung đồng hồ của kênh SPI. + MISO - PortB, Bit 6 nhận và đ−a dữ liệu ra của kênh SPI. + MOSI - PortB, Bit 5 đ−a ra dữ liệu và nhận dữ liệu của kênh SPI. + SS - PortB, Bit 4 lựa chọn trạng thái chủ/tớ của kênh SPI. + AIN1/OC0 - PortB, Bit 3: AIN1 đầu vào đảo của bộ so sánh analog, OC0 đầu ra của bộ so sánh thuật toán. Chân này cũng đ−ợc thiết kế giống nh− một đầu ra so sánh thuật toán của bộ Timer/Counter0, làm đầu ra điều biến độ rộng xung PWM. + AIN0/INT2 - PortB, Bit 2: AIN0 đầu vào không đảo của bộ so sánh analog, INT2 là chân ngắt ngoài. + T1 - PortB, Bit 1 đầu vào của Timer/Counter1. + T0/XCK - PortB, Bit 0 là đầu vào của Timer/Counter0, đồng thời cũng đảm nhận chức năng đầu vào tín hiệu xung Clock của giao tiếp USART. * PortC (PC0 ... PC7) nằm từ chân 22 đến chân 29. PortB đóng vai trò nh− cổng I/O hai trạng thái có điện trở treo bên trong. Ngoài chức năng của Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -33- một cổng thông th−ờng, một số chân của PortC có thêm các chức năng đặc biệt: Bảng 5: Bảng chức năng đặc biệt của một số chân PortC + TOSC2 - PortC, Bit7 chân vào dao động 2 của bộ Timer. Khi có tín hiệu cho phép thì chân PC7 không còn đ−ợc sử dụng nh− cổng I/O thông th−ờng mà trở thành đầu ra của tín hiệu dao động khuếch đại ng−ợc, là điểm kết nối của bộ dao động tinh thể. + TOSC1 - PortC, Bit6 chân vào dao động 1 của bộ Timer. Khi có tín hiệu cho phép thì chân PC6 không còn đ−ợc sử dụng nh− cổng I/O thông th−ờng mà trở thành đầu ra của tín hiệu dao động khuếch đại thuận, là điểm kết nối của bộ dao động tinh thể. + SDA - PortC, Bit1 giao tiếp nối tiếp dữ liệu hai chiều. Chân PC1 có một bộ lọc bên trong cho phép loại bỏ những sóng vào < 50ns. + SCL - PortC, Bit0 giao tiếp nối tiếp xung clock hai chiều. Chân PC0 cũng có một bộ lọc bên trong giống nh− PC0. * PortD (PD0 ... PD7) nằm từ chân 14 đến chân 21. Một số chức năng đặc biệt: Bảng 6: Bảng chức năng chân PortD Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -34- + OC2 - PortD, Bit7 đầu ra so sánh thuật toán của bộ Timer/Counter2, đồng thời cũng có chức năng của đầu ra điều biến độ rộng xung PWM. + ICP1 - PortD, Bit6 chân vào bắt mẫu cho Timer/Counter1. + OC1A - PortD, Bit5 chân ra bộ so sánh thuật toán A của Timer/Counter1 và là chân điều biến độ rộng xung PWM. + OC1B - PortD, Bit4 chân ra bộ so sánh thuật toán A của Timer/Counter1 và là chân điều biến độ rộng xung PWM. + INT1 - PortD, Bit3 là chân nguồn ngắt ngoài 1. + INT0 - PortD, Bit2 là chân nguồn ngắt ngoài 0. + TXD - PortD, Bit1 chân truyền dữ liệu của giao tiếp USART. + RXD - PortD, Bit0 chân nhận dữ liệu của giao tiếp USART. * RESET chân 9, chân vào reset hệ thống. * XTAL1, XTAL2, chân 12,13, chân kết nối với xung đồng hồ hệ thống. * AVCC chân 30, là chân cấp nguồn cho bộ chuyển đổi A/D. * AREF chân32, chân vào đối chiếu của bộ chuyển đổi A/D. 2.3. Tổ chức bộ nhớ bên trong ATMEGA8535 Bộ vi điều khiển AVR đ−ợc xây dựng trên kiến trúc Harvard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ ch−ơng trình tách biệt nhau để có thể thực hiện đồng thời đ−ợc một khối l−ợng lớn công việc. Hình 18: Kiến trúc ATMEGA8535 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -35- Bus dữ liệu đ−ợc sử dụng cho bộ nhớ dữ liệu là bus 8 bit, cho phép kết nối các bộ phận ngoại vi với tệp thanh ghi. Bus dữ liệu dùng cho bộ nhớ ch−ơng trình có độ rộng 16 bit và chỉ nối với thanh ghi lệnh. Sơ đồ bộ nhớ: Hình 19: Sơ đồ bộ nhớ của vi điều khiển ATMEGA8535 * Bộ nhớ ch−ơng trình là bộ nhớ Flash có dung l−ợng 8Kx16 bit. Để tiện cho việc bảo vệ bằng phần mềm thì bộ nhớ ch−ơng trình đ−ợc chia làm hai khu vực là khu vực ứng dụng và khu vực khởi động. Bên cạnh các lệnh đ−ợc l−u trữ, bộ nhớ ch−ơng trình cũng l−u trữ các vector ngắt bắt đầu tại địa chỉ $000. * Bộ nhớ dữ liệu đ−ợc bắt đầu với Tệp thanh ghi, sau đó là các Thanh ghi I/O và SRAM trong. Tệp thanh ghi gồm có 32 thanh ghi (R0... R31) t−ơng ứng với địa chỉ $0000... $001F. Toàn bộ các thanh ghi này đ−ợc sử dụng nh− những thanh ghi 8 bit. Nh−ng có một điều đặc biệt ở đây là các thanh ghi từ R26... R31 có thể kết hợp lại để đ−ợc sử dụng nh− 3 thanh ghi 16 bit X-Y-Z. Khu vực ứng dụng Bộ nhớ ch−ơng trình $000 Khu vực khởi động $FFF R0 R2 ... R30 R31 Bộ nhớ dữ liệu $0000 $001F EEPROM dữ liệu $01 ... $3F $00 SRAM trong $0020 $005F $0060 $025F $0000 Tệp thanh ghi Thanh ghi I/O Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -36- Hình 20: Tổ chức thành thanh ghi X,Y,Z Thanh ghi I/O gồm có 64 thanh ghi 8 bit nằm ở địa chỉ $020... $05F, các thanh ghi này làm nhiệm vụ trao đổi dữ liệu vào/ra. Đôi khi các thanh ghi I/O cũng đ−ợc truy cập nh− SRAM. Bộ nhớ SRAM của ATMEGA8535 có dung l−ợng 512 byte, đ−ợc sử dụng cho các ngăn xếp cũng nh− để l−u trữ các biến... * Bộ nhớ EEPROM: ATMEGA8535 có 512 byte EEPROM, đ−ợc tổ chức thành một vùng dữ liệu riêng biệt. Việc ghi và đọc đ−ợc thực hiện trên từng byte. Để đọc EEPROM, CPU phải mất 4 chu kỳ đồng hồ để hoàn thành việc đọc, tuy nhiên việc ghi EEPROM lại chỉ mất có 2 chu kỳ. 2.4. Một số khối điển hình trong cấu trúc ATMEGA8535 2.4.1. Bộ định thời Vi điều khiển ATMEGA8535 có hai bộ định thời 8 bit và một bộ định thời 16 bit. Việc đặt cho phép/cấm ngắt đối với các bộ định thời đ−ợc thực hiện qua các thanh ghi điều khiển bộ định thời TCCR0 và TCCR1. Sơ đồ khối của các bộ định thời đ−ợc thể hiện ở d−ới: ... R26 R27 R28 R29 R30 R31 Byte LOW thanh ghi X Byte HIGH thanh ghi X Byte LOW thanh ghi Y Byte HIGH thanh ghi Y Byte LOW thanh ghi Z Byte HIGH thanh ghi Z Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -37- Hình 21a: Sơ đồ khối bộ định thời 8 bit Hình 21b: Sơ đồ khối bộ định thời 16 bit 2.4.2. Bộ truyền nhận SUART Việc truyền nhận dữ liệu đ−ợc thực hiện thông qua việc ghi dữ liệu vào thanh ghi dữ liệu của SUART, đó là thanh ghi UDR. Dữ liệu từ UDR truyền đến các thanh ghi dịch. Sơ đồ khối bộ truyền nhận SUART : Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -38- Hình 22: Sơ đồ khối bộ truyền nhận SUART 2.4.3. Bộ so sánh Analog Bộ so sánh analog so sánh các giá trị điện áp ở lối vào, cụ thể là lối vào AIN0 (AC+) và AIN1 (AC-) với nhau. Nếu AIN0 lớn hơn AIN1 thì đầu ra đ−ợc kích hoạt lên mức cao. Sơ đồ khối của bộ so sánh analog: Hình 23: Sơ đồ khối bộ so sánh analog Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -39- 2.4.4. Bộ biến đổi A/D Bộ biến đổi ADC đ−ợc điều khiển qua bốn thanh ghi ADMUX, ADCSR, ADCH và ADCL trong vùng địa chỉ vào/ra. Bộ biến đổi ADC có thể hoạt động ở hai chế độ: + Quá trình biến đổi đ−ợc ng−ời dùng khởi động, + Quá trình biến đổi diễn ra liên tục. Sơ đồ khối của bộ biến đổi A/D: Hình 24: Sơ đồ khối bộ biến đổi A/D 2.5. Hoạt động ngắt Ngắt là một cơ cấu điều khiển dòng lệnh, cơ cấu này đ−ợc thiết kế trên hầu hết các vi điều khiển. Khi một hệ thống hoạt động, có rất nhiều sự kiện xảy ra đồng thời, chẳng hạn một nút ấn có tín hiệu báo hiệu xử lý công việc Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -40- nào đó, trong khi một byte dữ liệu đã đến cổng nối tiếp. Điều này sẽ gây khó khăn cho cho vi xử lý khi mà phải giám sát nhiều công việc đồng thời. Sự can thiệp của ngắt sẽ làm cho công việc xử lý trở nên tốt hơn. Khi xuất hiện ngắt, vi xử lý sẽ tạm thời ngừng ch−ơng trình chính và chuyển đến xử lý ch−ơng trình ngắt, quá trình xử lý ngắt hoàn thành ch−ơng trình chính lại tiếp tục. Hình 25: Sơ đồ quá trình ngắt Tr−ờng hợp có nhiều ngắt xảy ra đồng thời, ngắt có −u tiên cao hơn sẽ đ−ợc chấp nhận tr−ớc. Mức độ −u tiên của các ngắt thể hiện trong bảng vector ngắt: Bảng 7: Bảng các vector ngắt Ch−ơng trình chính Ch−ơng trình chính Thời gian Ngắt 1 Ngắt 2 Ngắt 1 ISR1 ISR2 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -41- 2.6. Tập lệnh Tập lệnh cho ATMEGA8535 gồm 130 lệnh, các lệnh đ−ợc mô tả d−ới dạng ngôn ngữ ASEM. Bảng 8: Tập lệnh của ATMEGA8535 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -42- Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -43- Ch−ơng 4: Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ cho hệ thống sấy 1. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển Phần mạch điều khiển đ−ợc thiết kế ra nhằm mục đích điều khiển cho một hệ thống sấy nông sản quy mô nhỏ, sử dụng dây điện trở để tạo nhiệt có công suất < 3000W. Nhiệt độ đ−ợc điều chỉnh nằm trong dải từ 00C ữ 1500C. Mạch điều khiển có các chức năng đo và hiển thị nhiệt độ của dòng khí đi vào buồng sấy, chức năng đặt nhiệt độ thông qua bàn phím và tự động ổn định ở nhiệt độ đặt thông qua việc điều chỉnh điện áp đặt vào điện trở tạo nhiệt, chức năng kết nối với máy tính để có thể theo dõi kết quả và thao tác điều khiển trên máy tính... Từ những yêu cầu đ−ợc đặt ra ta có sơ đồ khối của mạch điều khiển nh− sau: Hình 26: Sơ đồ khối của mạch điều khiển 2. Lựa chọn thiết kế và phân tích nguyên lý từng khối 2.1. Khối cảm biến nhiệt Khối cảm biến nhiệt Khối chuyển đổi Bộ nhớ RAM,ROM Khối giao tiếp máy tính Khối bàn phím Khối xử lý trung tâm Khối mạch công suất Khối hiển thị Khâu đồng bộ xung Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -44- Việc đo nhiệt độ là một việc tối cần thiết trong điều khiển nhiệt độ. Đo nhiệt độ để phục vụ cho việc quan sát, và đặc biệt là tạo một đại l−ợng điện đ−ợc biến đổi t−ơng ứng với nhiệt độ đo đ−a vào mạch điện để phục vụ cho điều khiển. 2.1.1. Các ph−ơng pháp đo nhiệt độ Tuỳ vào yêu cầu của công việc mà ng−ời ta có thể sử dụng nhiều các dụng cụ đo nhiệt độ chuyên biệt khác nhau. D−ới đây là một số ph−ơng pháp đo thông dụng: a. Ph−ơng pháp đo sử dụng Cặp nhiệt điện (thermocouple) Ưu điểm: Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất, có tầm thay đổi rộng, tầm đo nhiệt rộng. Thiết kế đơn giản, rẻ tiền... Nh−ợc điểm: Phi tuyến, điện áp cung cấp thấp, đòi hỏi phải có điện áp tham chiếu. Kém nhạy và kém ổn định... b. Ph−ơng pháp đo dùng nhiệt điện trở (RTD - Resistance Temperature Detector) Ưu điểm: Có tính chính xác và ổn định cao, ph−ơng pháp này tuyến tính hơn ph−ơng pháp dùng cặp nhiệt. Nh−ợc điểm: L−ợng thay đổi ΔR là rất nhỏ, điện trở tuyệt đối thấp, tự gia tăng nhiệt. Phải cung cấp nguồn dòng, đắt tiền... c. Ph−ơng pháp sử dụng IC cảm biến nhiệt Ưu điểm: Có độ tuyến tính cao, ngõ ra có giá trị lớn nhất so với các loại trên, giá rẻ. Nh−ợc điểm: Nhiệt độ đo d−ới 2000C, cần phải cung cấp nguồn cho cảm biến hoạt động... Gắn với yêu cầu thực tiễn của đề tài là điều khiển nhiệt độ dòng khí trong sấy nông sản dạng hạt, nhiệt độ sấy <2000C, và những ứng dụng rộng rãi Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -45- của IC cảm biến nhiệt nên chúng tôi chọn IC cảm biến nhiệt làm dụng cụ đo nhiệt độ dòng khí sấy. 2.1.2. Sơ l−ợc về IC cảm biến nhiệt * Nguyên lý hoạt động chung của IC đo nhiệt độ IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện d−ới dạng dòng điện hay điện áp. Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín hiệu điện ta biết đ−ợc giá trị nhiệt độ cần đo. Sự tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn. Bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện các lỗ trống. Làm cho điện tử tự do và lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ. * Đặc tính của một số IC cảm biến nhiệt độ thông dụng: + AD590 Ngõ ra là dòng điện với độ nhạy 1A/10K Độ chính xác +40C Nguồn cung cấp 4 ữ 30V Dải đo nhiệt độ -550C ữ +1500C. +LX5700 Ngõ ra là điện áp với độ nhạy -10mV/0K Dải đo từ -550C ữ 1500C. +LM57 Cảm biến này do hãng National Semiconductor phát triển Ngõ ra là điện áp Dải đo -500C ữ 1000C. +DS1621 Cảm biến này do hãng Dallas Semiconductor phát triển Ngõ ra là dạng điện áp Dải đo 00C ữ 1000C. +LM335 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -46- Loại IC cảm biến nhiệt này do hãng SGS - Thomson Microelectronic phát triển. LM335 đ−ợc đóng vỏ nhựa theo hai dạng tiện dụng cho thiết kế: Hình 27: Kiểu vỏ Z(TO92) Hình 28: Kiểu vỏ D(SO8) LM335 là loại cảm biến nhiệt có độ chính xác cao, đã đ−ợc chuẩn hoá. Nó hoạt động giống nh− điôtzener. Bảng 9 chỉ ra một số thông số hoạt đông của LM335. Bảng 9: Thông số của LM335 Dải nhiệt độ đo -400C ữ 1000C Dải dòng hoạt động 450μΑ ữ 5mΑ Trở kháng động khi vận hành Nhỏ hơn 1Ω Điện áp đầu ra biến thiên nhiệt độ 10mV/0C Dòng ng−ợc 15mA Dòng thuận 10mA Điện áp đầu ra ở 250C 2,92Vữ 3,04V Đáp ứng của cảm biến theosự thay đổi của nhiệt độ: Hình 29: Đáp ứng của đầu ra theo sự biến đổi của nhiệt độ Ta cũng có thể dễ dàng chuẩn hoá cảm biến ở 250C để có đ−ợc điện áp đầu ra là 2,982V bằng việc điều chỉnh biến trở VR1 10K. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -47- +V VR1 10K LM335 Output R1 1K Hình 30: Sơ đồ chuẩn hoá cảm biến ở 250C 2.1.3. IC thuật toán LM324 LM324 là loại thuật toán công suất nhỏ, đ−ợc tích hợp tới 4 tầng thuật toán trên một vỏ. Hình 31: Hình dáng và cấu tạo bên trong LM324 + LM324 có băng thông rộng 1,3MHz. + Độ lợi 100dB. + Dòng cung cấp nhỏ 375μΑ . + Điện áp nuôi: Đơn cực +3V đến +30V, L−ỡng cực ±1,5V đến ±15V. Yêu cầu khuếch đại trong thiết kế là không khắt khe, mặt khác do tính thông dụng và giá rẻ nên chúng tôi chọn LM324 cho thiêt kế. 2.1.4. Thiết kế mạch đo nhiệt Sơ đồ mạch: Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -48- +12V C2104 2,73V R4 2M - + U1B LM324 5 6 7 4 11 +12V R9 10K J1 CON1 1 R3 1M C4 104 +5V VR1 10K Chuan so sanh R5 2M R2 1M - + U1A LM324 3 2 1 4 11 C3 104 LM335 R6 27K R8 10K Temperature R1 1K R7 27K C1 104 Temperature Hình 32: Sơ đồ khối cảm biến nhiệt * Chọn điện trở hạn chế dòng cho cảm biến nhiệt: Theo thông số của nhà sản xuất, dòng hoạt động của cảm biến: 400μA ≤ IR ≤ 5mA 400μA ≤ 1R 0V-5 ≤ 5 mA 5mA 0 V5− ≤ R1 ≤ Α − 400μ 0V5 . Với: 2,73V ≤ Vo ≤ 3,73 ứng với nhiệt độ 00C ≤ t0 ≤ 1000C Nên: 254 Ω≤ R1 ≤ 5,7 KΩ chọn R1 = 1KΩ . Vì tín hiệu biến thiên của điện áp theo nhiệt độ ở đầu ra là rất nhỏ (Khoảng 10mV/ 0C, tức là 1V/ 1000C), mặt khác yêu cầu của khâu chuyển đổi A/D là tín hiệu phải biến đổi từ 0 ữ 5V, nên để tăng độ chính xác và dễ dàng xử lý trong chíp ta phải khuếch đại tín hiệu lên. * Tính toán khuếch đại Theo sơ đồ khuếch đại: + Điện áp tại chân vào không đảo, chân vào đảo V+ = 2.V 5R3R 5R + Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -49- V- = ( ) 12. V 4R2R R 1V0V −+− Theo tính chất của Op – Amp: V+ = V- Suy ra: 1V 4R2R 2R).1V0 (V2.V 5R3R 5R ++−=+ Với V1 : điện áp chuẩn V1 = 2,73 volt V2 : điện áp ra của cảm biến V2 = 2,73 + 0,01T oC V0 : điện áp ra của thuật toán V0 = K.(V1 - V2) K : hệ số khuếch đại. Ta xét ở nhiệt độ TC = 0 oC, điện áp vào V2 = V1; V0 = 0 volt. ⇒ 5R3R 5R 4R2R 2R +=+ Lựa chọn: R2 = R3 ; R4 = R5 ⇒ V0 = )1V2.(V 2R 4R − . Chọn hệ số khuếch đại: K = R4 / R2 = 2, sử dụng khuếch đại thuật toán loại LM324 có độ lợi 100dB. Mặt khác, dòng vào của Op-Amp I0 < 20mA nên dòng hồi tiếp Iht<<20mA. Iht = 4R2R 1V0V + − << 20mA R2 + R4 >> 20mA 1V0V − Mà V0max = 5V V1 = 2,73V Suy ra R2 + R4 >> 20mA 2,27 3R4 >> 20mA 2,27 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -50- R4 >> 37,8Ω Chọn: R4 = 2MΩ; R2 = 1MΩ Vz = 3V; I0 < 20 mA Lựa chọn R1 =100 Ω. Tiếp theo đó là một khâu khuếch đại không đảo có hệ số khuếch đại điều chỉnh đ−ợc bằng biến trở R8: Ura= 7R )8R7.(RvàoU + Đây là khâu khuếch đại nhằm chuẩn hoá tín hiệu sai lệch do nhiễu tác động vào khâu tr−ớc đó. Hệ số khuếch đại đ−ợc điều chỉnh sẽ xấp xỉ 1. * Hoạt động: Giả sử nhiệt độ tại thời điểm tác động lên cảm biến là 400C, điện áp đầu ra của LM335 là : 2,73 + 0,01.40 = 3,13V Qua tầng khuếch đại thứ nhất K=2, điện áp ra: 2.(3,13 - 2.73) = 0.8V . Nh−ng thực tế do nhiều yếu tố mà nó không đạt đ−ợc 0,8V, vì vậy khi qua tầng khuếch đại thứ hai sẽ đ−ợc điều chỉnh về 0,8V. * Khâu tạo điện áp chuẩn: Trong khâu khuếch đại của cảm biến nhiệt, cần thiết phải tạo ra một điện áp chuẩn để so sánh với tín hiệu điện áp của cảm biến: Chuan so sanh 6.3V 10mA R14 10K 2.73V R11 12K R12 10K R13 12K D2 5.1V 5.7V 2V_Ref _AVR C5 103 0.6V D1 1N4148 R10 630 J2 CON1 1 J3 CON1 1 +12V C6 104 5.1V 0.5182mA Hình 33: Sơ đồ khâu tạo điện áp chuẩn Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -51- Để tạo ra đ−ợc mức điện áp ổn định, ta dùng điôt ổn áp 5,1V đấu ng−ợc với điôt muỗi 1N4148 . Sụt áp tổng trên hai điôt: Ut = UD + UDz = 5,1 + 0.6 = 5,7V Dòng chạy trong 1N4148 là rất nhỏ (<200mA). Lựa chọn dòng 10mA: R10 = 10mA 5,7V12V − = 630Ω Sử dụng loại biến trở nhiều vòng - là loại biến trở có khả năng điều chỉnh tinh, nối với điện trở 12K để có thể lấy ra điện áp chuẩn so sánh 2,73V và điện áp tham chiếu 2V-Ref-AVR cho bộ chuển đổi A/D. 2.2. Khối chuyển đổi 2.2.1. Sơ l−ợc về sự biến đổi Trong thời đại công nghệ ngày nay, việc truyền đạt thông tin, điều khiển... phần nhiều đ−ợc thực hiện theo ph−ơng pháp số. Ph−ơng số có nhiều −u điểm hơn so với các ph−ơng pháp thông th−ờng khác. Một thông tin dạng t−ơng tự sẽ đ−ợc chuyển đổi sang dạng số để xử lý rồi sau đó lại đ−ợc chuyển ng−ợc lại về dạng t−ơng tự. Để thực hiện việc chuyển đổi này, ng−ời ta sử dụng các mạch chuyển đổi A/D và D/A (Analog Digital Converter). Mạch chuyển đổi thực hiện việc chuyển đổi dòng hay áp sang dạng mã số nhị phân và ng−ợc lại. Hình34: Sơ đồ chuyển đổi A/D Có nhiều ph−ơng pháp chuyển đổi A/D: + Ph−ơng pháp tích phân (Intergration method). Khối điều khiển Thanh ghi Ra mã nhị phân Lệnh bắt đầu Xung clock +VA V’A Chuyển đổi A/D So sánh Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -52- + Ph−ơng pháp ADC xấp xỉ liên tiếp (Successive- Approximation ADC). + Ph−ơng pháp song song (Paralled method). 2.2.2. Mạch chuyển đổi A/D Những loại chíp thông th−ờng, để có thể xử lý đ−ợc một tín hiệu t−ơng tự, ng−ời ta phải biến đổi tín hiệu này sang dạng tín hiệu số thông qua các bộ biến đổi A/D bên ngoài chíp, việc này làm tăng thêm kích th−ớc mạch điện và tiêu thụ thêm công suất. Tích hợp bộ chuyển đổi A/D vào trong chíp ATMEGA8535 là một h−ớng phát triển mới của AVR. Bộ chuyển đổi A/D trong chíp sử dụng ph−ơng pháp chuyển đổi ADC xấp xỉ liên tiếp. Chúng tôi sử dụng bộ biến đổi A/D trong chíp để chuyển hoá tín hiệu điện sau khâu khuếch đại cảm biến nhiệt. Tín hiệu đ−ợc đ−a vào chân 40 (PA0), đây là một trong những chân vào của bộ chuyển đổi A/D. PA0 2V_Ref _AVR PA0 PA1 L1 10uH PA1 C7 105 PA4 PA3 PA3 C8 33 PA2 +5V Temperature PA7 U2 ATMEGA8535 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 AVCC AGND AREF (ADC7) PA7 (ADC6) PA6 (ADC5) PA5 (ADC4) PA4 (ADC3) PA3 (ADC2) PA2 (ADC1) PA1 (ADC0) PA0 PA5 PA2 PA5 PA7 PA6 J4 CON16A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 PA[0..7] PA6 PA4 Temperature Hình 35: Sơ đồ kết nối của khối chuyển đổi A/D Nguồn cấp cho chuyển đổi A/D là nguồn +5V, đ−ợc cấp vào chân 30(AVCC) thông qua điện cảm L1. Mục đích của L1(10uH), C7(105pF), C8(33pF) đảm bảo triệt nhiễu cho nguồn cấp A/D. Chân 31(AGND) nối xuống đất. Thông th−ờng nếu chân 32(AREF) để trống, ATMEGA8535 mặc định điện áp tham chiếu là 2,56V, nó t−ơng ứng với điện áp t−ơng tự đầu vào biến đổi 0Vữ5V. Trong tr−ờng hợp này điện áp khuếch đại từ cảm biến biến đổi Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -53- 0Vữ4V nên ta phải đ−a vào đầu AREF một điện áp là 2V, điện áp đ−ợc lấy chuẩn thông qua biến trở R14. * Hoạt động: Khi có tín hiệu cho phép bộ chuyển đổi hoạt động, nó sẽ cập nhật điện áp đầu vào theo thời gian lập trình chuyển đổi thành đầu ra: + Kênh đơn đ−ợc lựa chọn, điện áp chuyển đổi ADC = REFV .1024INV 0x000 là giá trị số đầu ra t−ơng ứng GND 0x3FF là giá trị số đầu ra t−ơng ứng VREF . + Kênh chọn có độ phân giải GAIN ADC = REFV ).GAIN.512V(V −−+ Bảng 10: Giá trị chuyển đổivới độ phân giải GAIN 2.3. Khối bàn phím 2.3.1. Chức năng bàn phím Trong hệ thống thông tin - điều khiển, bàn phím là một thiết bị ngoại vi, đảm nhận chức năng giao tiếp và truyền đạt mệnh lệnh của ng−ời điều khiển tới hệ thống. Thông th−ờng, bàn phím là tổ hợp của nhiều phím đơn đ−ợc tổ chức d−ới dạng ma trận gồm nhiều hàng và nhiều cột. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -54- SW16 R R R SW6 SW3 Hang1 VCC SW7 R SW14 Cot3 R R SW15 Cot1 SW2 Hang3 R Hang2 R SW4 SW12 SW5 SW8 SW9 SW1 Hang4 SW10 Cot4 SW11 Cot2 SW13 Hình 36: Bàn phím 16 Các hàng và các cột có thể kết nối trực tiếp với các cổng của vi điều khiển. Bình th−ờng, khi không có nút nào đ−ợc ấn các hàng có mức thấp, các cột có mức cao. Một nút đ−ợc tác động, cột có chứa nút đó sẽ bị hạ xuống mức thấp. Để có thể phát hiện ra các nút đ−ợc ấn ng−ời ta sử dụng các ch−ơng trình phần mềm quét bàn phím hoặc các phần tử IC mã hoá. 2.3.2. Phần tử mã hoá Kết nối trực tiếp các hàng và cột bàn phím với vi điều khiển dẫn đến phải mất một khối l−ợng cổng kết nối rất lớn, nh− vậy ta phải thêm vào các ph−ơng án mở rộng cổng I/O (cách này tuỳ từng loại vi điều khiển có sự hỗ trợ khác nhau), công việc lập trình trở nên khó khăn hơn, các ứng dụng khác khó thêm vào vì thiếu cổng kết nối. Để giảm tải cho việc lập trình, dành ra các cổng phục vụ cho những ứng dụng khác, ng−ời ta sử dụng mạch IC mã hoá cho bàn phím. IC74148 là một IC mã hoá −u tiên bát phân sang nhị phân (3bit): Hinh37: Hình dáng bên ngoài và sơ đồ chân của IC74148 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -55- IC này đ−ợc sử dụng nhiều để mã hoá bàn phím, ngoài ra cũng có thể sử dụng nó để phát hoặc chuyển đổi mã có số bit lớn. Tốc độ mã hoá đạt đến 10ns, công suất tiêu tốn 190mW. IC74148 hoạt động ở mức thấp. Đầu vào là mã 8 bit đ−ợc phân bố trên các chân 10, 11, 12, 13, 1, 2, 3, 4. Đầu ra mã 3 bit trên các chân 9, 7, 6. Ngoài ra còn có các chân cho phép đầu vào, đầu ra, chân kết nối nhiều IC mã hoá với nhau... + Điện áp vận hành 4,75 ữ 5,25V. + Mức thấp đầu vào ≤ 0,8V, mức cao ≥ 2V. + Mức thấp đầu ra ≤ 0,4V, mức cao ≥ 2,4V. + Dòng điện đầu vào ≤ 1mA... 2.3.3. Mạch điện khối bàn phím Key 7 R15 1K Key 3 R16 10K 1 2 3 4 5 6 7 8 9Key 4 Q0 J5 CON8 1 2 3 4 5 6 7 8 Key _B Key _B C11 104 Key 2 Key 5 Q1 Key 4 Key 4 Key 4 Key [1..4] J6 CON9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Key 8 Key 2 Key 6 Q0 Key 8 C12 104 Q0 SW3 Key 7 Key 3 U2 ATMEGA8535 1 2 16 (T0) PB0 (T1) PB1 (INT0) PD2 Key 5 C9 104 Key 2 Q1 +5V SW6 Key 1 Key 1 Key 3 Q0 Key _B Key 5 Q1 Key 6 +5V Key 8 Key 1 SW5 Key 2 Q1 Key 3 Key 1 Key _B Key 6 SW4 Key 7 C10 104 U3 74148 10 11 12 13 1 2 3 4 5 9 7 6 14 15 16 8 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 EI Q0 Q1 Q2 GS EO V C C G N D Hình 38: Mạch điện khối bàn phím Trong tr−ờng hợp này ta chỉ sử dụng 4 nút ấn để lựa chọn điều khiển theo hình thức Bảng lựa chọn (Menu). IC74148 hoạt động ở mức thấp nên các Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -56- nút ấn đ−ợc treo lên +5V bằng một điện trở thanh R16 10KΩ - là loại điện trở tích hợp nhiều điện trở cùng loại và có một điểm chung. Tụ C9, C10, C11, C12(104pF) đảm bảo khả năng chống nhiễu mỗi khi ấn nút. Với 4 nút ấn sẽ có 4 tr−ờng hợp xảy ra, nh− vậy ta chỉ cần lấy ra hai bit Q0Q1(hai đầu ra 9 và 7). Hai bít này đ−ợc đ−a vào hai bit PB0PB1(chân 1 và 2) của PortB. Chân 5( EI -Input Enable) đ−ợc hạ xuống mức thấp thông qua điện trở R151KΩ, luôn cho phép đầu vào hoạt động. Chân 15(EO-Output Enable) đ−a vào chân đầu vào PD2- chân kích Timer0, phục vụ cho việc quét bàn phím. Bảng 11: Bảng chân lý Ngõ vào (mức thấp) Ngõ ra (mức thấp) EI 0D 1D 2D 3D ..... ..... 1Q 0Q EO 1 x x x x ..... 0 0 1 1 1 ..... 0 x 0 1 1 ..... 0 x x 0 1 ..... 0 x x x 0 ..... ..... 1 1 1 ..... 1 1 1 ..... 1 0 1 ..... 0 1 1 ..... 0 0 1 * Hoạt động: Khi một phím đ−ợc ấn thì IC74148 sẽ cho ra một trạng thái ở đầu ra Q1Q0, ch−ơng trình phần mềm trong chíp sẽ luôn quét hai đầu vào này theo một thời gian lập trình, nhận đ−ợc tín hiệu thì nó sẽ đ−a vào xử lý. 2.4. Khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm đ−ợc thiết kế với thành phần chủ đạo là chíp vi điều khiển ATMEGA8535. Vi điều khiển này sẽ đảm nhận việc điều khiển các thiết bị ngoại vi - gửi thông tin đến các thiết bị ngoại vi và nhận lại các thông tin phản hồi. Ngoài vi điều khiển còn có thêm các thành phần phụ hỗ trợ cho vi điều khiển hoạt động. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -57- 2.4.1. Mạch reset Mạch reset tạo ra một xung khởi tạo các thanh ghi và mạch điều khiển. Yêu cầu cơ bản đ−ợc đặt ra là xung reset phải xuất hiện sau khi điện áp nguồn nuôi đã đạt đến một giá trị ổn định. Thông th−ờng mạch reset phải đảm bảo hai chức năng: + Tự động reset khi bật nguồn, + Tác động reset hệ thống khi cần thiết. * Sơ đồ mạch: Hình 39: Mạch reset Điện trở R17 và C13 vừa có tác dụng tự động reset, chống rung cho nút ấn, đồng thời tăng hằng số thời gian mạch reset đề phòng tr−ờng hợp điện áp nguồn tăng quá chậm. Nút nhấn để tác động reset hệ thống khi cần thiết. Điốt 1N4148 tăng nhanh thời gian reset (thời gian phóng của tụ). 2.4.2. Mạch tạo dao động Thực chất, các vi điều khiển họ AVR đã đ−ợc tích hợp sẵn bộ dao động RC bên trong. Nếu yêu cầu ứng dụng đặt ra không cần có sự phân chia chính xác về mặt thời gian và tần số danh định cho ứng dụng khoảng 1MHz thì chỉ cần sử dụng bộ dao động RC nội. Để phục vụ các yêu cầu cao hơn của ứng dụng ta lựa chọn ph−ơng pháp sử dụng các linh kiện định thời bên ngoài, nh− bộ cộng h−ởng thạch anh, bộ cộng h−ởng gốm điện áp, nguồn tín hiệu đồng hồ mức TTL... a. Bộ cộng h−ởng thạch anh b. Bộ dao động RC ngoài c. Xung đồng hồ cấp ngoài Hình 40: Các ph−ơng pháp sử dụng bộ dao động ngoài R17 4.7K RSTRST D3 1N4148 +5V C13 10uF SW1 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -58- Sử dụng bộ cộng h−ởng thạch anh là ph−ơng pháp thông dụng và có nhiều −u điểm: + Đóng vỏ theo kiểu dáng công nghiệp. + Các lối ra t−ơng thích MOS/TTL. + Hoạt động ở điện áp 3,3V. + Khả năng đấu tải lớn. + Vùng tần số 2ữ60MHz, độ ổn định tần số 0,3%. + Độ trôi tần số khi già hoá 0,3%/10 năm. * Sơ đồ mạch Hình 41: Mạch dao động thạch anh Dải tần số sử dụng cho chíp 0 ữ16MHz. Tuỳ thuộc vào loại thạch anh và tần số cộng h−ởng mà ta chọn tụ cộng h−ởng cho phù hợp (22pFữ33pF). Chúng tôi lựa chọn Y1 là 8MHz, tụ C14, C15 có giá trị 33pF. 2.4.3. Sơ đồ chính PB5 PC0 PD3 PA1 PB1 PC1 C17 33 J10 CON16A 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 PC5 PB4 PA7 PB7 PA5 PC4 PD4 PA2 PD0 PD4 PB2 PD1 PD2 PC3 PA6 PB4 U2 AT908535 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40(T0) PB0 (T1) PB1 (AIN0) PB2 (AIN1) PB3 (SS) PB4 (MOSI) PB5 (MISO) PB6 (SCK) PB7 RESET VCC GND_POWER XTAL2 XTAL1 (RxD) PD0 (TxD) PD1 (INT0) PD2 (INT1) PD3 (OC1B) PD4 (OC1A) PD5 (ICP) PD6 PD7 (OC2) PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 (TOSC1) PC6 (TOSC2) PC7 AVCC AGND AREF (ADC7) PA7 (ADC6) PA6 (ADC5) PA5 (ADC4) PA4 (ADC3) PA3 (ADC2) PA2 (ADC1) PA1 (ADC0) PA0 RST PD7 PB7 PB3 PC1 PC2 PA3 PC0 PA3 PC3 L2 PC6 PB6 D3 1N4148 PC2 PB0 +5V PA4 PD0 SW1 J8 CON16A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 PD6 PB6 PC7 C13 10uF +5V PA2 Y1 8MHz PC7 PB3 PD1 PD7 PC6 PD2 PC5 C15 33 R17 4.7K PA5 PA0 PB5 PC4 PB1 PD3 J7 CON16A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 J9 CON16A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 C16 105 PA4 PA1 PA6 PB2 PA0 C14 33 PB0 PD5 PD6 PD5 PA7 XTAL2 Y1 8MHz C15 33 XTAL1 C14 33 Hình42: Sơ đồ mạch khối xử lý trung tâm Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -59- Để thiết kế cho một hệ mang tính phát triển, có thể thay đổi đầu vào hoặc thêm vào các thành phần ngoại vi khác, chúng tôi sử dụng các CON16 (conector) hai hàng chân. Đầu vào cấp nguồn đ−ợc thiết kế qua bộ lọc RC gồm L210μH, tụ ceramicC16 1μF, C1733pF. 2.5. Khối bộ nhớ 2.5.1. Bộ nhớ ch−ơng trình (Flash) Phần bộ nhớ này dùng để l−u trữ mã lệnh mà ng−ời lập trình đ−a vào. ATMEGA8535 đ−ợc tích hợp bộ nhớ ch−ơng trình lên tới 8Kbyte, dung l−ợng này là phù hợp cho thiết kế của chúng tôi, vì vậy không phải thiết kế thêm bộ nhớ ch−ơng trình ở bên ngoài. 2.5.2. Bộ nhớ SRAM Cũng nh− bộ nhớ ch−ơng trình, bộ nhớ SRAM đ−ợc tích hợp sẵn lên đến 512Byte. Bộ nhớ này là nơi bộ xử lý trung tâm thực hiện việc tính toán, xử lý. 2.5.3. Bộ nhớ EEPROM Các vi điều khiển thế hệ cũ th−ờng không tích hợp loại bộ nhớ này trên chíp. Với những ứng dụng cần phải thay đổi và l−u trữ thông số hệ thống theo yêu cầu ng−ời sử dụng thì cấu trúc không bộ nhớ EEPROM là một nh−ợc điểm. Để xoá bỏ nh−ợc điểm này, ATMEGA8535 đã tích hợp bộ nhớ EEPROM tới 512Byte trong chíp, đảm bảo cho những nhu cầu khắt khe của ng−ời lập trình. 2.6. Khối giao tiếp máy tính Trong thiết kế ứng dụng với vi điều khiển thì ghép nối máy tính là một công việc bắt buộc: + Kết nối máy tính để phục vụ cho việc nạp ch−ơng trình điều khiển vào trong chíp. + Kết nối máy tính để có thể thực hiện điều khiển và theo dõi kết quả ngay trên máy tính... Những loại chíp thế hệ cũ nh− 8051... không đ−ợc tích hợp bộ truyền nhận UART, việc truyền nhận với máy tính chỉ có thể thực hiện bằng phần Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -60- mềm và thực hiện truyền nhận theo h−ớng đơn công - tức là tại một thời điểm chỉ có thể truyền hoặc nhận. ATMEGA8535 đã đ−ợc tích hợp sẵn USART bên trong chíp, việc truyền nhận đ−ợc thực hiện thông qua các thanh ghi nên việc truyền nhận thực hiện theo ph−ơng pháp song công - tức là tại một thời điểm có thể thực hiện đồng thời cả hai công việc là truyền và nhận. Đây là một −u điểm nổi trội của vi điều khiển họ AVR. 2.6.1. Cổng song song (LPT) Cổng song song là cổng ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính. Mức logic của cổng song song là mức TTL, để thực hiện ghép nối với cổng song song ta phải sử dụng các mạch t−ơng thích TTL hoặc các mạch ghép mức. Cổng song song có hai loại: loại 25 chân và loại 36 chân. Loại 25 chân là loại thông dụng hiện nay, vì vậy ta chỉ đề cập đến loại này. Hình43: Hình dạng cổng song song Cấu trúc cổng song song rất đơn giản với tám đ−ờng dẫn dữ liệu, một đ−ờng dẫn mass chung, bốn đ−ờng dẫn tín hiệu điều khiển, năm đ−ờng dẫn trạng thái thiết bị ng−ợc về máy tính. Chức năng của các chân đ−ợc cho trong Bảng 12: Bảng12: Phân bố chân trên cổng song song Chức năng chân Tên chân Báo sẵn sàng truyền một byte dữ liệu 1 Đ−ờng dẫn dữ liệu D0 ữ D7 2 ữ 9 Báo đã nhận dữ liệu 10 Báo thiết bị ngoại vi đang bận 11 Báo thiết bị ngoại vi đang trục trặc 12 Báo thiết bị ngoại vi đã đ−ợc kích hoạt 13 Chỉ thị cho thiết bị nhận dữ liệu tiếp tục 14 Thông báo lỗi thiết bị 15 Đặt lại trạng thái hoạt động của thiết bị 16 Báo thiết bị đã đ−ợc ghép nối 17 Nối đất 18 ữ 25 13 2514 1 DB-25 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -61- Cổng song song truyền dữ liệu theo các bit song song, hay byte nối tiếp còn bít song song. Tốc độ truyền dữ liệu đạt đến 1Mbit/s nh−ng khoảng cách bị hạn chế vì điện dung kí sinh và hiện t−ợng cảm ứng giữa các đ−ờng dẫn. Khoảng cách thông th−ờng 1,5 ữ 2m. 2.6.2. Cổng nối tiếp Cổng nối tiếp cũng là một dạng cổng ghép nối máy tính với các thiết bị ngoại vi. So với cổng song song thì cổng nối tiếp đ−ợc sử dụng rộng rãi hơn, vì vậy đã hình thành những chuẩn nh− RS232, RS449, RS485... Hình 44: Hình dạng cổng nối tiếp Sự khác nhau cơ bản giữa cổng song song và cổng nối tiếp chính là ở ph−ơng pháp truyền dữ liệu: trong một thời điểm chỉ có một bit đ−ợc gửi đi dọc theo một đ−ờng dẫn, đ−ờng gửi và đ−ờng nhận tách rời nhau. Tốc độ truyền lớn hơn 100Kbit/s, khoảng cách truyền trên một khoảng đơn cao hơn 1Km. Cấu trúc cổng nối tiếp rất đơn giản: chỉ có hai đ−ờng dữ liệu, một đ−ờng nối đất, còn lại là các đ−ờng trạng thái thiết bị và điều khiển. Mức logic cổng nối tiếp : + Mức cao +3V ữ +12V, + Mức thấp -3V ữ -12V. Bảng13: Phân bố chân trên cổng nối tiếp Chân Chức năng 1 Phát hiện tín hiệu mang dữ liệu 2 Dữ liệu nhận từ DCE tới DTE qua RD 3 Dữ liệu gửi từ DTE tới DCE qua TD 4 DCE thông báo sàng truyền dữ liệu 5 So sánh tín hiệu với đất 6 DTE thông báo sẵn sàng nhận dữ liệu 7 DTE thông báo sẵn sàng truyền dữ liệu 8 DCE thông báo cho DTE nhận dữ liệu 9 Thông báo DEC đang nhận dữ liệu DB-9 1 5 96 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -62- 2.6.3. IC 74VHC244 Ghép nối trực tiếp giữa thiết bị ngoại vi với máy tính qua cổng song song sẽ gây ra những rối loạn về thông tin cho cả hai thiết bị. Mặc dù cùng là mức TTL nh−ng vẫn có sự chênh lệch mức tín hiệu. Vì vậy mà ng−ời ta phải dùng các bộ đệm làm trung gian trên đ−ờng giao tiếp. IC 74VHC244 là bộ đệm 8 bit ba trạng thái, đ−ợc thiết kế để phục vụ cho giao tiếp mức TTL (3 đến 5 vôn). Tất cả các đầu vào ra đ−ợc trang bị mạch bảo vệ tĩnh điện, bảo vệ sụt áp trên lối vào. + Điện áp vận hành VCC 2,0V ữ 5,5V , + Mức vào VIN 0V ữ 5,5V , + Mức ra VOUT 0V ữ VCC . Bảng 14: Phân bố chân trên chíp Chân Chức năng 1 (1G) Cho phép ra 1 2,4,6,8 (1A1ữ1A4 ) Dữ liệu vào 9,7,5,3 (2Y1 ữ 2Y4) Dữ liệu ra 11,13,15,17 (2A1 ữ 2A4) Dữ liệu vào 18,16,14,12 (1Y1 ữ 1Y4) Dữ liệu ra 19 (2G) Cho phép ra 2 10 (GND) Nối đất 20 (VCC) Nguồn cấp Thực chất IC 74VHC244 đ−ợc tổ chức thành hai bộ đệm trạng thái 4 bit trong một chíp với đầu vào cho phép riêng biệt. Bảng 14: Trạng thái vào ra Hình 45: Cấu tạo của74VHC244 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -63- Chân cho phép Vào AN Ra YN L L L L H H H X Z 2.6.4. IC MAX232 Cổng nối tiếp (COM) của máy tính sử dụng chuẩn RS232. Chuẩn này không t−ơng thích với mức TTL. Vì vậy phải có những thiết bị chuyển đổi chuẩn này sang chuẩn kia và ng−ợc lại. IC MAX232 đ−ợc thiết kế để phục vụ cho công việc này. Điều đặc biệt là MAX232 chuyển đổi mà không cần tới điện áp cấp ±12V. Hình 46: Sơ đồ chân và cấu tạo của MAX232 Các đặc tính của MAX232: + Nguồn cấp Vcc 1,5 ữ 5,5V, + Vào mức thấp VIL <0,8V, + Vào mức cao VIH >2V, + Dòng cấp Icc 8 ữ 10mA... Để có thể hoạt động ta cần phải thêm vào một số tụ theo khuyến cáo của nhà sản xuất. Các tụ thêm vào đ−ợc nối tới các chân theo sơ đồ trên. 2.6.5. Sơ đồ thiết kế mạch nạp ch−ơng trình cho vi điều khiển Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -64- MISC SCK MOS RST C19 104 SCK CONGSONGSONGDB25 74VHC244 U3 3 5 7 9 12 14 16 18 17 15 13 11 8 6 4 2 20 19 10 1 2Y4 2Y3 2Y2 2Y1 1Y4 1Y3 1Y2 1Y1 2A4 2A3 2A2 2A1 1A4 1A3 1A2 1A1 VCC 2OE GND 1OE R18 100K SCK RST D4 1N4148 P1 13 25 12 24 11 23 10 22 9 21 8 20 7 19 6 18 5 17 4 16 3 15 2 14 1 R19200 R20 20K D5 LED MOS +5V C18 104 MISC Hình 47: Mạch nạp ch−ơng trình Chúng tôi sử dụng phần mềm nạp ch−ơng trình PonyProg2000 của nhà cung cấp LansCO, vì vậy mạch nạp đ−ợc thiết kế t−ơng ứng với phần mềm: Mạch nạp chỉ sử dụng một đ−ờng dữ liệu trên chân 7 của cổng song song DB25, qua bộ đệm 74VHC244(1A1) để t−ơng thích mức dữ liệu ra (1Y1) vào chân trao đổi dữ liệu MOSI của chíp điều khiển. Phản hồi trạng thái chíp MISC qua bộ đệm về chân nhận trạng thái ngoại vi 10. Tín hiệu clock của USART và tín hiệu RESET đệm qua kênh dữ liệu 4 bit thứ nhất và 4 bit thứ hai. D4 1N4148 là điôt chống ng−ợc nguồn cho bộ đệm, đèn LED D5 thông báo hoạt động của mạch khi truy cập chíp, vì sử dụng chung với chân clock nên chúng tôi chọn điện trở hạn chế dòng 20K đảm bảo không ảnh h−ởng đến tín hiệu. R19 đóng vai trò hạn chế dòng RESET, R18 kéo thêm dòng phụ trợ cho tín hiệu từ chíp qua bộ đệm. Các tụ C18, C19 đảm nhận vai trò lọc nhiễu. 2.6.6. Sơ đồ mạch giao tiếp hiển thị dữ liệu hệ thống lên máy tính Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -65- +5V C23 1uF C20 104 C21 1uF U4 MAX232 1 3 4 5 16 15 2 6 12 9 11 10 13 8 14 7 C1+ C1- C2+ C2- VC C G N D V+ V- R1OUT R2OUT T1IN T2IN R1IN R2IN T1OUT T2OUT P2 CONGCOM 5 9 4 8 3 7 2 6 1 TxD C24 1uF RxDRxD C22 1uF TxD Hình 48: Mạch giao tiếp máy tính Mạch giao tiếp máy tính đ−ợc thiết kế ra với mục đích tr−ớc mắt là có thể hiển thị thông số hệ thống nh−: nhiệt độ đặt, nhiệt độ lò sấy... lên máy tính, ng−ời điều khiển có thể theo dõi, đồng thời tác động trực tiếp lên các thông số qua máy tính. Vì chíp vi điều khiển ATMEGA8535 đã tích hợp sẵn bộ truyền nhận USART nên chúng tôi chỉ cần sử dụng IC MAX232 làm bộ đệm chuyển mức TTL sang RS232 và kết nối trực tiếp với máy tính qua cổng COM. Lý do chúng tôi chọn cổng nối tiếp thay cho cổng song song là vì cổng nối tiếp có khả năng bảo toàn tín hiệu, hình thức truyền đơn giản và có khả năng truyền đi xa... IC MAX232 đ−ợc cấp nguồn +5V. Các tụ C21, C22, C23, C24 đ−ợc sử dụng theo khuyến cáo của nhà sản xuất nhằm biến đổi mức TTL sang RS232, tụ C20 đảm bảo chống nhiễu nguồn đầu vào. Chân truyền dữ liệu TXD từ chíp nối với đầu vào TD(11) của MAX232, đầu ra chuyển mức RS232(14) vào chân nhận dữ liệu (2) cổng COM. Chân truyền dữ liệu (3) cổng COM nối với đầu vào RD(13) của MAX232, đầu ra chuyển mức TTL(12) vào chân nhận dữ liệu RXD của chíp. Việc truyền nhận dữ liệu đ−ợc tiến hành riêng biệt qua hai đ−ờng RXD và TXD. 2.7. Khối hiển thị Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -66- Bên cạnh việc hiển thị trên máy tính, hiển thị trên thiết bị điều khiển là một yêu cầu bắt buộc trong thiết kế. Việc hiển thị ngay trên thiết bị giúp ng−ời điều khiển theo dõi thông số hệ thống và điều khiển trực tiếp ngay trên thiết bị. 2.7.1. Ph−ơng pháp hiển thị Thực tế có rất nhiều cách hiển thị, nh−ng có hai cách hiển thị mà ng−ời ta hay sử dụng nhất hiện nay: * Hiển thị bằng LED 7 vạch Hình49: Hình dạng và cấu tạo của LED 7 vạch Ph−ơng pháp này có −u điểm: + Rẻ tiền, hiển thị số một cách trực quan, trông rõ từ xa. Nh−ợc điểm: +Hình ảnh hiển thị không linh động, chỉ có khả năng hiển thị chữ số, để hiển thị hình ảnh hay chữ viết thì phải sử dụng loại đèn LED chéo hay LED ma trận, dẫn đến lập trình khó khăn. + Công suất tiêu tốn lớn, không phù hợp với những thiết kế có công suất nhỏ. + Phải sử dụng nhiều cổng kết nối... * Hiển thị bằng màn hình tinh thể lỏng LCD (Liquid Crystal Display) Hình 50: Hình dạng bên ngoài của LCD 16x2 h c d e b g f a Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -67- Ng−ợc lại với LED 7 vạch, những khuyết điểm của LED 7 vạch lại là những −u điểm của LCD; những −u điểm của LED 7 vạch là khuyết điểm của LCD. Thực chất cấu tạo của LCD là những ma trận điểm, mỗi ô gồm nhiều điểm sáng kết hợp lại. Tuỳ theo yêu cầu hiển thị mà ng−ời ta kết hợp một hay nhiều ô có kích th−ớc to nhỏ khác nhau. Ng−ời ta gọi tên LCD theo số ô ma trận dọc và ngang nh−: 8x2, 16x2, 40x2... LCD có tích hợp sẵn bộ làm t−ơi bên trong nên trong quá trình hiển thị không cần sự can thiệp của vi điều khiển... Do yêu cầu của thiết kế phải hiển thị theo dạng bảng chọn (menu), mặt khác giá của LCD cũng rẻ đi nhiều, vì vậy chúng tôi chọn LCD 8x2 cho thiết kế của mình. Chức năng chân của LCD đ−ợc mô tả trong Bảng 15. Để hiển thị một chữ cái hay một con số, mã ASCII của chữ cái hay con số đó đ−ợc đ−a đến chân dữ liệu. Các chân RS=1, RW=0 (chọn thanh ghi dữ liệu và gửi dữ liệu lên LCD). Một mức cao xuống mức thấp trên chân E sẽ để LCD chốt dữ liệu, xung này phải rộng tối thiểu 450ns. Bảng 15: Chức năng chân LCD Số chân Tên Chức năng 1 VSS Nối đất 2 VDD D−ơng nguồn 5V 3 VEE Điều chỉnh độ t−ơng phản 4 RS RS=0: chọn thanh ghi lệnh RS=1: Chọn thanh ghi dữ liệu 5 RW RW=1: Đọc dữ liệu RW=0: Ghi dữ liệu 6 E Cho phép 7 DB0 Chân dữ liệu 0 8 DB1 Chân dữ liệu 1 9 DB2 Chân dữ liệu 2 10 DB3 Chân dữ liệu 3 11 DB4 Chân dữ liệu 4 12 DB5 Chân dữ liệu 5 13 DB6 Chân dữ liệu 6 14 DB7 Chân dữ liệu 7 Tập lệnh điều khiển LCD đ−ợc mô tả trong Bảng 16: Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -68- Bảng 16: Tập lệnh gửi lên LCD Mã Hexa Lệnh gửi đến LCD 1 Xoá màn hình hiển thị 2 Trở về đầu dòng 4 Dịch con trỏ sang trái 6 Dịch con trỏ sang phải 5 Dịch hiển thị sang trái 7 Dịch hiển thị sang phải 8 Tắt con trỏ, tắt hiển thị A Tắt hiển thị, bật con trỏ C Bật hiển thị, tắt con trỏ E Bật hiển thị, nhấp nháy con trỏ F Tắt con trỏ nhấp nháy con trỏ 10 Dịch vị trí con trỏ sang trái 14 Dịch vị trí con trỏ sang phải 18 Dịch toàn bộ hiển thị sang trái 1C Dịch toàn bộ hiển thị sang phải 80 Đ−a con trỏ về đầu dòng thứ nhất C0 Đ−a con trỏ về đầu dòng thứ hai 38 Hai dòng ma trận 5x7 2.7.2. Mạch điện hiển thị Mạch điện khối hiển thị đ−ợc mô tả trong Hình 51. Có hai ph−ơng pháp chính đ−a dữ liệu tới LCD là ph−ơng pháp truyền 4 bit và ph−ơng pháp truyền 8 bit. Ph−ơng pháp truyền 4 bit lập trình khó hơn rất nhiều so với truyền 8 bit nh−ng đổi lại nó tiết kiệm đầu kết nối. Trong thiết kế này chúng tôi lựa chọn ph−ơng pháp truyền 4 bit. PortC đ−ợc sử dụng để nối kết với LCD, từ bit 7 đến bit 4 làm chân dữ liệu, từ bit 0 đến bit 2 là chân Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -69- điều khiển. R2120KΩ, R22 20KΩ là các biến trở điều chỉnh độ t−ơng phản và độ sáng của LCD. RS D4 RS D4 E D7 U2 ATMEGA8535 22 23 24 25 26 27 28 29 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 (TOSC1) PC6 (TOSC2) PC7 RW +5V R21 20K E +5V R22 20K D6 D7 J11 CON16A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 V0 RW D5 +5V D5 D6 Hình 51: Mạch điện khối hiển thị 2.8. Khối đồng bộ tín hiệu Trong điều khiển điện áp xoay chiều, đồng bộ là một khâu tối quan trọng. Khi đồng bộ ng−ời điều khiển sẽ nhận biết đ−ợc thời điểm nào có chu kỳ điện áp lên và xuống từ đó phát ra xung điều khiển hợp lý. Có nhiều ph−ơng pháp để tạo tín hiệu đồng bộ nh−: sử dụng so sánh thuật toán, sử dụng optodiode, optotransistor... Tuỳ vào ph−ơng pháp đ−ợc sử dụng mà tín hiệu đồng bộ thu đ−ợc khác nhau. D−ới đây là một dạng tín hiệu đồng bộ: Với những loại vi điều khiển cũ, ng−ời thiết kế phải sử dụng tới các mạch đồng bộ ngoài. Ng−ợc lại ATMEGA8535 có bộ so sánh t−ơng tự Hình 52: Một dạng tín hiệu đồng bộ Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -70- (analog) đ−ợc tích hợp ngay trong chíp nên chúng tôi chọn bộ so sánh này để đồng bộ tín hiệu với l−ới điện. Sơ đồ mạch: T1 BIEN THE HA AP 1 3 2 4 U2 ATMEGA8535 3 4 (AIN0) PB2 (AIN1) PB3 R24 10K AP LUOI 220V 50Hz R23 10K Hình 53: Mạch điện khối đồng bộ tín hiệu Điện áp l−ới đ−ợc hạ áp qua biến thế T1 xuống khoảng 2V, thông qua điện trở R23, R24 10KΩ để hạn chế dòng một cách tối đa rồi đ−a tới hai đầu vào của bộ so sánh thuật toán (AIN0, AIN1). 2.9. Khối công suất Khối công suất là khối mạch cuối cùng liên kết với hệ thống. Tất cả những thành quả của quá trình điều khiển tr−ớc đó đ−ợc thể hiện trong khâu này. Trong khâu này chúng tôi chọn sử dụng triac, bởi vì triac dễ điều khiển hơn, giá rẻ... D−ới đây trình bầy một số linh kiện sử dụng trong mạch này: 2.9.1. Optotriac MOC3021 Hình54: Hình dạng bên ngoài và cấu tạo của OptotriacMOC3021 MOC3021 là một dạng triac quang, có cực cửa đ−ợc kích bằng ánh sáng, do vậy đảm bảo tính cách ly rất cao. MOC3021 thích hợp với những ứng dụng có công suất nhỏ. * Một số thông số của MOC302: + Điện áp điều khiển trên đầu ra 250V, Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -71- + Điện áp vào điôt 3V, + Dòng vào điôt <50mA, + Dòng qua 1,2A , + Công suất tiêu thụ 330mW. 2.9.2. Triac BT137 Hình55: Hình dạng bên ngoài và cấu tạo của BT137 BT137 là dòng triac do hãng Philips Semiconductors chế tạo phục vụ cho những ứng dụng đòi hỏi yêu cầu đóng cắt mạch tốc độ cao nh−: điều khiển động cơ, đèn chiếu sáng, relay, hệ thống tạo nhiệt... D−ới đây là thông số của BT137: + Điện áp điều khiển 800V. + Dòng cho phép ở điện áp 800V là 8A, khi trạng thái không lặp lại dòng cho phép lên tới 65A. + Công suất tải 2,4KW. + Điện áp điều khiển đỉnh cực cửa 5V. + Công suất trung bình trên cực cửa 0.5W. 2.9.3. Mạch điện khối công suất R25 560 U5 MOC3021 1 2 6 4 R26 470 TAI AP LUOI 220V 50Hz Q3 BT137 U2 ATMEGA8535 18 (OC1B) PD4 Hình 56: Mạch điện khối công suất Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -72- Dựa trên điều kiện tải là dây điện trở toả nhiệt có công suất 2 ữ 3KW, điện áp điều khiển 220V 50Hz. Dòng điện qua tải: It = 220 P = 9.09 ữ 13,6A Nh− vậy chúng tôi chọn BT137 với các thông số nêu trên là phù hợp với thiết kế. Tuy nhiên để an toàn cho vi điều khiển cần phải có một khâu cách ly, đồng thời cũng là khâu kích mở góc cho triac. Optotriac MOC3021 có những thông số phù hợp cho khâu này. Đầu ra điều biến độ rộng xung PWM(18) đ−ợc nối với đầu vào MOC3021 qua một điện trở hạn chế dòng R25 560Ω. Tuy dòng đỉnh đầu vào là 50mA nh−ng ta hạn chế tới mức tối đa khoảng 10 ữ 20mA. Đầu 6 của MOC3021 nối với Anot của BT137 qua điện trở R26 470 Ω để hạn chế dòng qua cực cửa BT137 xuống d−ới 100mA. Dạng điện áp trên tải phụ thuộc vào xung kích mở triac đ−ợc mô tả trong Hình 57: Hình 57: Dạng sóng điện áp trên tải Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -73- 2.10. Khối mạch nguồn Phần mạch nguồn đảm nhận chức năng cấp nguồn cho mạch điều khiển hoạt động và bảo đảm ổn định cho nguồn cấp. C25 104 U5 L7812/TO220 1 2 3 VIN G N D VOUT C24 1000uF R27 22K J12 CON1 1 +5VNguon C30 104 +12V +5V U5 L7805/TO220 1 2 3 VIN G N D VOUT +12V D7 LED C27 100uF 100uF C29 NGUON VAO 16VAC 3 2 1 C26 104 C28 104 - +D6BRIDGE 1 3 4 2 J13 CON1 1 Hình 58: Mạch cấp nguồn Nguồn xoay chiều hạ áp xuống 16VAC, đ−ợc chỉnh l−u qua cầu chỉnh l−u 2A. Yêu cầu mạch điện cần có hai mức điện áp là 5V và 12V, vì vậy chúng tôi lựa chọn các IC ổn áp L7805 (ổn áp 5V) và L7812 (ổn áp 12V): Hình 59: Hình dạng bên ngoài của LM7805, LM7812 Các thông số: + Điện áp vào (Vổn áp+1) < Vinput < 35 (Vôn). + Điện áp ra LM7805 (4,8 < Voutput < 5,2) LM7812 (11,5 < Voutput < 12,5). + Dòng ra tải 1A. + Nhiệt độ vận hành 00 ữ 1500C. Tổng thiết kế của mạch điều khiển nhỏ hơn 1A, vì vậy chúng tôi chỉ sử một con LM7805 và một con LM7812 là đủ cho thiết kế. Để tăng tính chịu tải ta thêm tấm toả nhiệt cho chúng. Điện áp 16VAC sau khi chỉnh l−u vẫn còn mấp mô, tụ C24 1000μF sẽ làm phẳng điện áp này. Các tụ 104 và 100 μF đ−ợc 1. Input 2. GND 3. Output Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -74- bố trí tr−ớc, sau ổn áp để triệt nhiễu cao tần sinh ra trong ổn áp và bù điện áp cho tải. D7 là đèn báo nguồn đ−ợc hạn chế dòng tới mức tối đa bằng điện trở 22K Ω để không ảnh h−ởng tới nguồn cấp. 2.11. Công cụ trợ giúp thiết kế mạch điện Môi tr−ờng công nghệ phát triển hiện nay cho phép chúng ta lựa chọn đ−ợc rất nhiều công cụ thiết kế mạch điện hoàn hảo nh− Orcad, Protel, Eagle, Proteus... Mỗi công cụ có một −u điểm riêng, ngoài khả năng thiết kế mạch in, các công cụ này còn có khả năng kết nối với các máy xung CNC thực hiện việc tạo mạch in thực vừa thiết kế, khả năng mô phỏng mạch trên lý thuyết... Orcad phiên bản 9.2 là một công cụ khá hoàn hảo cho việc thiết kế một cách tối −u mạch điện, vì vậy chúng tôi lựa chọn Orcad phục vụ cho thiết kế này. Mạch điện sau khi thiết kế là mạch điện hai lớp: Hình 60: Mạch in lớp trên Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -75- Hình 61: Mạch in lớp d−ới Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -76- Ch−ơng 5: Nghiên cứu phần lập trình cho vi điều khiển 1. L−u đồ thuật toán ch−ơng trình Yêu cầu bài toán đặt ra cho ch−ơng trình điều khiển phải thực hiện những công việc sau: + Chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự từ cảm biến sang tín hiệu số. + Xác định thời điểm không của l−ới điện để đồng bộ hoá tín hiệu điều khiển. + Ch−ơng trình xử lý bàn phím. + Định thời cho thời gian trích mẫu, và kích mở triac. 1.1. Ch−ơng trình chính 1.2. Ch−ơng trình con phục vụ ngắt so sánh t−ơngtự Khai báo các th− viện cần sử dụng Khai báo các biến toàn cục + Khởi tạo chuyển đổi A/D + Khởi tạo so sánh t−ơng tự + Khởi tạo các bộ định thời + Khởi tạo LCD + Khởi tạo ngắt ngoài + Cho phép các ngắt Vòng lặp vô tận (không làm gì cả) Bắt đầu Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -77- ana_comp_isr (void) Nạp tín hiệu điều khiển vào bộ định thời 1. Cho phép bộ định thời chạy Kiểm tra có phải nguyên nhân ngắt là s−ờn lên trên AC0 không? Cho nguyên nhân ngắt là s−ờn lên trên AC0 Cho nguyên nhân ngắt là s−ờn xuống trên AC0 Xoá cờ ACI cho ngắt tiếp theo và thoát khỏi ch−ơng trình Đúng Sai Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -78- 1.3. Ch−ơng trình con phục vụ bàn phím ext_int0_isr(void) + Khai báo một biến để l−u phím đ−ợc bấm + Xoá bit cho phép ngắt toàn cục, cấm mọi các ngắt xảy ra khi đang thay đổi thông số + Viết lên LCD để thông báo ng−ời sử dụng thay đổi thông số + Nhảy xuống dòng 1 cột 2 trên LCD. + Chờ phím bấm tiếp theo, l−u phím đ−ợc bấm Nếu là phím "Tăng", tăng nhiệt độ đặt Nếu là phím "Giảm" thì giảm nhiệt độ đặt Viết lên LCD nhiệt độ đã đ−ợc thay đổi Nếu là phím "Chấp nhận" thì hiển thị nhiệt độ lò và nhiệt độ đặt + Xoá cờ INFT0 cho ngắt tiếp theo. + Set bit cho phép ngắt toàn cục Thoát khỏi ch−ơng trình Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -79- 1.4. Ch−ơng trình con phục vụ ngắt cho bộ định thời 2 Thời gian trích mẫu là 1s. timer2_comp_isr(void) Biến đếm đã bằng 1000 ch−a? Tăng biến đếm+ Cho phép chuyển đổiADC + Xoá biến đếm Thoát khỏi ch−ơng trình Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -80- 1.5. Ch−ơng trình con phục vụ ngắt khi chuyển đổi ADC đã hoàn thành adc_isr(void) Tính ra nhiệt độ thật của lò Xác định sai số Thực hiện hàm truyền của bộ điều khiển Khâu giới hạn để giới hạn khi v−ợt ra khỏi giới hạn điều chỉnh Viết lên LCD nhiệt độ lò Thoát Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -81- 1.6. Ch−ơng trình con phục vụ ngắt do bộ định thời 1 2. Ch−ơng trình lập trình 2.1. Các công cụ lập trình cho vi điều khiển họ AVR Từ khi tung ra thị tr−ờng dòng vi điều khiển họ AVR, công ty Atmel cũng cho ra đời trình dịch AVR - Assembler, phục vụ cho vi điều khiển loại này. AVR - Assembler hỗ trợ việc viết ch−ơng trình bằng ngôn ngữ assembly, biên dịch nó sang file.hex; nh−ng để có thể sử dụng đ−ợc công cụ này thì ng−ời lập trình phải rất am hiểu về cấu trúc của AVR. Tuy nhiên AVR cũng hỗ trợ ngôn ngữ C, vì vậy các công ty ứng dụng AVR th−ờng tạo ra công cụ riêng của mình dựa trên ngôn ngữ C. Các hàm trong ngôn ngữ C đ−ợc viết dựa trên khối các lệnh assembly. Khi sử dụng ngôn ngữ C, công việc lập trình trở nên đơn giản hơn và ng−ời lập trình không cần phải quan tâm nhiều đến cấu trúc phần cứng của chíp. Trong thiết kế này chúng tôi sử dụng công cụ lập trình Code Vision AVR C Compiler Evaluation của công ty Pavel Haiduc - HP InfoTech s.r.l. Công cụ này hỗ trợ cả lập trình C và Assembly: timer1_compa_isr(void) + Set bit PD4. + Trễ 100us. + Xoá bit PD4 + Cấm timer 1 hoạt động Thoát Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài – Tự động hoá 46 ............................................................................................................................. -82- Hình 62: Giao diện phần mềm lập trình Code Vision AVR Sau khi biên dịch ch−ơng trình sang file.hex, sử dụng phần mềm nạp ch−ơng trình vào chíp t−ơng thích với mạch nạp đã đ−ợc thiết kế. Chúng tôi sử