ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN tử ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BỒN NƯỚC 

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, khi mà cả thế giới như đang nóng lên vì sự vận động, phát triển về mọi mặt như kinh tế, chính trị, khoa học kỹ thuật….v…v..Trong đó, những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến đã và đang làm cho thế giới ngày càng thay đổi, văn minh hơn và hiện đại hơn. Sự phát triển của Kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng lọat những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho họat động của con người đạt hiệu quả cao.

Là một trong những sinh viên theo học ngành điện tử-viễn thông, bản thân cũng có những mong ước được góp một phần công sức cho xã hội bằng những việc làm có ý nghĩa thực tế. Từ những kiến thức đã được truyền đạt sau ba năm theo học tại trường , hoà mình vào xu hướng chung của thời đại, cùng sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, đề tài tốt nghiệp: “Điều khiển và giám sát bồn nước” ra đời.

Đề tài là sự kết hợp giữa kiến thức và nhận thức công nghệ trong việc tạo ra một sản phẩm có giá trị thực tiễn nên có rất nhiều yêu cầu được đặt ra cho sự hoàn thiện. Trong suốt thời gian thực hiện đề tài là một quá trình làm việc nghiêm túc và nỗ lực của bản thân người thực hiện, cùng sự chỉ dẫn nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn; song chắc chắn không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Người thực hiện đề tài rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu cùng những phê bình, chỉ dẫn của Thầy Cô và các bạn sinh viên.

Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Giới Thiệu Về Vi Điều Khiển Pic 16f887:

3.1.1. Giới thiệu chung:

3.1.1.1 Tổng quan về họ Vi điều khiển PIC:

 PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology. Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics Division thuộc General_Instrument. PIC bắt nguồn từ chữ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng General Instruments đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650. Lúc này, PIC 1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với tên “Peripheral Interface Controller” (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi). CP1600 là một CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy PIC 8-bit được phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600. PIC sử dụng microcode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC chưa được sử dụng thời bấy giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động). Năm 1985 General Instruments bán bộ phận vi điện tử của họ, và chủ sở hữu mới hủy bỏ hầu hết các dự án – lúc đó quá lỗi thời. Tuy nhiên, PIC được bổ sung EPROM để tạo thành 1 bộ điều khiển vào ra khả trình. Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC…), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word. ưng chúng ta có thể điểm qua một vài nét như sau :

•  8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến truc Harvard có sửa đổi
•  Flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte
•  Các cổng Xuất/ Nhập (I/ O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với logic 0 và logic 1)
•  8/16 bit Timer

3.1.1.2. Một số đặc tính của Vi điều khiển PIC:

Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nh Các chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ/ khung đồng bộ USART

•  Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-digital converters, 10/12 bit
•  Bộ so sánh điện áp (Voltage Comparator)
•  Các module Capture/ Compare/ PWM
•  LCD
•  MSSP Peripheral dựng cho các giao tiếp I² C, SPI, I² S
•  Bộ nhớ nội EPROM – có thể ghi/ xoá lớn tới 1 triệu lần
•  Module Điều khiển động cơ, đọc encoder
•  Hỗ trợ giao tiếp USB
•  Hỗ trợ giao tiếp CAN
•  Hỗ trợ giao tiếp LIN
•  Hỗ trợ giao tiếp IrDA
•   Một số dòng có tích hợp bộ RF (PIC16f639, và rfPIC)
•  KEELOQ mờ hoá và giải mờ
•  DSP những tính năng xử lý tín hiệu số (dsPIC)

Đặc điểm thực thi tốc độ cao của RISC CPU của họ vi diều khiển PIC16F87XA :

•  Chỉ gồm 35 lệnh đơn.
•  Tất cả các lệnh là 1chu kỳ ngoại trừ chương trình con là 2 chu kỳ.

•  Tốc độ hoạt động :

*DC-  20MHz ngõ vào xung clock.

*DC-  200ns chu kỳ lệnh.

•  Độ rộng của bộ nhớ chương trình Flash là 8K x 14word, của bộ nhớ dữ liệu (RAM) là 368 x 8bytes, của bộ nhớ dữ liệu là EPROM (RAM) là 256 x 8bytes.

3.1.1.3. Những đặc tính ngoại vi:

Timer0 : 8- bit định thời/ đếm với 8- bit prescaler

- Timer1 : 16- bit định thời/ đếm với prescaler, có thể được tăng lên trong suốt chế độ Sleep qua thạch anh/ xung clock bên ngoài.

- Timer2 : 8- bit định thời/đếm với 8- bit, prescaler và postscaler

- Hai module Capture, Compare, PWM

* Capture có độ rộng 16 bit, độ phân giải 12.5ns

* Compare có độ rộng 16 bit, độ phân giải 200ns

* Độ phân giải lớn nhất của PWM là 10bit.

- Có 13 ngõ I/O có thể điều khiển trực tiếp

- Dòng vào và dòng ra lớn :

* 25mA dòng vào cho mỗi chân

* 20mA dòng ra cho mỗi chân                    

3.1.1.4. Đặc điểm về tương tự:

10 bit, với 8 kênh của bộ chuyển đổi tương tự sang số (A/D).

- Brown – out Reset (BOR).

- Module so sánh về tương tự.

* Hai bộ so sánh tương tự.

* Module điện áp chuẩn VREF có thể lập trình trên PIC.

- Có thể lập trình ngõ ra vào đến từ những ngõ vào của PIC và trên điện áp bên trong.

- Những ngõ ra của bộ so sánh có thể sử dụng cho bên ngoài.

3.1.1.5. Các đặc điểm đặc biệt:

Có thể ghi/ xoá 100.000 lần với kiểu bộ nhớ chương trình Enhanced Flash.

- 1.000.000 ghi/ xoá với kiểu bộ nhớ EPROM.

- EPROM có thể lưu trữ dữ liệu hơn 40 năm.

- Có thể tự lập trình lại dưới sự điều khiển của phần mềm.

- Mạch lập trình nối tiếp qua 2 chân.

- Nguồn đơn 5V cấp cho mạch lập trình nối tiếp.

- Watchdog Timer (WDT) với bộ dao động RC tích hợp sẵn trên Chip cho hoạt động đáng tin cậy.

- Có thể lập trình mờ bảo vệ.

- Tiết kiệm năng lượng với chế độ Sleep.

- Có thể lựa chọn bộ dao động.

- Mạch dở sai (ICD : In- Circuit Debug) qua 2 chân.

3.1.1.6. Công nghệ CMOS:

Năng lượng thấp, tốc độ cao Flash/ công nghệ EPROM

Việc thiết kế hoàn toàn tĩnh

Khoảng điện áp hoạt động từ 2V đến 5.5V

Tiêu tốn năng lượng thấp.

3.1.2 Giới thiệu về PIC16F8XX và PIC16F887:

PIC16F8X là nhóm PIC trong họ PIC16XX của họ Vi điều khiển 8-bit, tiêu hao năng lượng thấp, đáp ứng nhanh, chế tạo theo công nghệ CMOS, chống tĩnh điện tuyệt đối. Nhóm bao gồm các thiết bị sau:

• PIC16F83
• PIC16CR83
• PIC16F84
• PIC16CR84

- Tất cả các PIC16/17 đều có cấu trúc RISC. PIC16CXX các đặc tính nổi bậc, 8 mức ngăn xếp Stack, nhiều nguồn ngắt tích hợp bên trong lẫn ngoài. Có cấu trúc Havard với các bus dữ liệu và bus thực thi chương trình riêng biệt nhau cho phép độ dài 1 lệnh là 14-bit và bus dữ liệu 8-bit cách biệt nhau. Tất cả các lệnh đều mất 1 chu kỳ lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh chương trình mất 2 chu kỳ lệnh. Chỉ có 35 lệnh và 1 lượng lớn các thanh ghi cho phép đáp ứng cao trong ứng dụng.

- Họ PIC16F8X có nhiều tính năng đặc biệt làm giảm thiểu các thiết bị ngoại vi, vì vậy kinh tế cao, có hệ thống nổi bật đáng tin cậy và sự tiêu thụ năng lượng thấp. Ở đây có 4 sự lựa chọn bộ dao dộng và chỉ có 1 chân kết nối bộ dao động RC nên có giải pháp tiết kiệm cao. Chế độ SLEEP tiết kiệm nguồn và có thể được đánh thức bởi các nguồn reset. Và còn nhiều phần khác đó được giới thiệu bên trên sẽ được nói rõ ở các phần kế tiếp.

Bảng 3.1: Tóm tắt đặc điểm của PIC16F887

3.1.3 Sơ đồ chân ,cấu trúc và chức năng PIC 16F887 loại 40 chân PDIP

Hình 3.1 pic16f887

• Chức năng các chân :

     * Chân OSC1/CLKI (13) : ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock bên ngoài.

 - OSC1 : ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock bên ngoài. Ngõ vào Schmit trigger khi được cấu tạo ở chế độ RC ; một cách khác của CMOS.

- CLKI : ngõ vào nguồn xung bên ngoài. Luôn được kết hợp với chức năng OSC1.

* Chân OSC2/CLKO (13) : ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock

- OSC2 : Ngõ ra dao động thạch anh. Kết nối đến thạch anh hoặc bộ cộng hưởng.

- CLKO : ở chế độ RC, ngõ ra của OSC2, bằng tần số của OSC1 và chỉ ra tốc độ của chu kỳ lệnh.

* Chân /V_PP (1) :

         - MCLR : Hoạt động Reset ở mức thấp

         - V_PP : ngõ vào áp lập trình

* Chân RA0/AN0 (2) :

         - RA0 : xuất/nhập số

         - AN0 : ngõ vào tương tự 0

* Chân RA1/NA1 (3) :

         - RA1 : xuất/nhập số

         - AN1 : ngõ vào tương tự 1

* Chân RA2/NA2/V_REF-/CV_REF  (4) :

         - RA2 : xuất/nhập số

         - AN2 : ngõ vào tương tự 2

         - V_{REF -:} ngõ vào điện áp chuẩn (thấp) của bộ A/D

         - CV_REF: điện áp tham chiếu V_REF ngõ ra bộ so sỏnh

* Chân RA3/NA3/V_REF+ (5) :

              - RA3 : xuất/nhập số

- AN3 : ngõ vào tương tự 3

- V_REF+  : ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ A/D

* Chân RA4/TOCKI/C1OUT (6) :

- RA4 : xuất/nhập số - mở khi được cấu tạo như ngõ ra

- TOCKI : ngõ vào xung clock bên ngoài cho Timer 0

- C1 OUT : Ngõ ra bộ so sánh 1

* Chân RA5/AN4/ /C2OUT (7) :

- RA5 : xuất/nhập số

- AN4 : ngõ vào tương tự 4

- SS : ngõ vào chọn lựa SPI phụ

- C2 OUT : ngõ ra bộ so sánh 2

* RB0/INT (33) :

- RB0 : xuất/nhập số

- INT : ngắt ngoài

* RB1 (34) : xuất/nhập số

* RB2 (35) : xuất/nhập số

* RB3/PGC :

- RB3 : xuất/nhập số

- Chân cho phép lập trình điện áp thấp ICPS

* RB4 (37), RB5 (38) : xuất/nhập số

* RB6/PGC (39) :

- RB6 : xuất/nhập số

- PGC : mạch dũ sai và xung clock lập trỡnh ICSP

* RB7/PGD (40) :

- RB7 : xuất/nhập số

- PGD : mạch dữ sai và dữ liệu lập trình ICSP

* Chân RC0/T1 OCO/T1CKI (15) :

- RC0 : xuất/nhập số

- T1 OCO : ngõ vào bộ dao động Timer 1

- T1 CKI : ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1

* Chân RC1/T1 OSI/CCP2 (16) :

- RC1 : xuất/nhập số

- T1 OSI : ngõ vào bộ dao động Timer 1

- CCP2 : ngõ vào Capture 2, ngõ ra compare 2, ngõ ra PWM2

* Chân RC2/CCP1 (17) :

- RC2 : xuất/nhập số

- CCP1 : ngõ vào Capture 1, ngõ ra compare 1, ngõ ra PWM1

* Chân RC3/SCK/SCL (18):

- RC3 : xuất/nhập số

- SCK : ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ SPI

- SCL : ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ ngõ ra của chế độ I²C

* Chân RC4/SDI/SDA (23) :

- RC4 : xuất/nhập số

- SDI : dữ liệu vào SPI

- SDA : xuất/nhập dữ liệu vào I²C

* Chân RC5/SDO (24) :

- RC5 : xuất/nhập số

- SDO : dữ liệu ra SPI

* Chân RC6/TX/CK (25) :

- RC6 : xuất/nhập số

- TX : truyền bất đồng bộ USART

- CK : xung đồng bộ USART

* Chân RC7/RX/DT (26) :

- RC7 : xuất/nhập số

- RX : nhận bất đồng USART

- DT : dữ liệu đồng bộ USART

* Chân RD0/PSP0 (19) :

- RD0 : xuất/nhập số

- PSP0 : dữ liệu port nhánh song song

* Chân RD1/PSP1 (20) :

- RD1 : xuất/nhập số

- PSP1 : dữ liệu port nhánh song song

* Các chân : RD2/PSP2 (21), RD3/PSP3 (22), RD4/PSP (27), RD5/PSP5  (28),    RD6/PSP6 (29), RD7/PSP7 (30) tương tự chân 19,20.

* Chân RE0//AN6 (8) :

- RE0 : xuất nhập số

- RD : điều khiển việc đọc ở port nhánh song song

- AN5 : ngõ vào tương tự 5

* Chân RE1/ /AN6 (9) : 

- RE1 : xuất/nhập số

- WR : điều khiển việc ghi ở port nhánh song song

- AN6 : ngõ vào tương tự 6

* Chân RE2/ /AN7 (10) :

- RE2 : xuất/nhập số

- CS : Chip lựa chọn  sự điều khiển ở port nhánh song song

- AN7 : ngõ vào tương tự 7

* Chân V_DD(11,32), và V_SS(12,31) : là các chân nguồn của PIC.

hình 3.2: Sơ đồ khối của Vi điều khiển PIC16F887

.................................................................

4.1.9 Timer0:

            Đây là một trong ba bộ đếm hoặc bộ đĩnh thời của vi điều khiển PÍC6F887.Timer0 là bộ đếm 8 bit được kết nối với bộ chia tần số(prescaler) 8 bit.Cấu trúc của timer0 cho phép ta lựa chọn xung clock tác động và cạnh tích cực của xung clock.Ngắt của timer0 xuất hiện  khi  timer 0 bị tràn.Bit TMR0IE(INTCON<5>) là bit điều khiển của timer0.TMR0IE=1 cho phép ngắt timer0 tác động.Sơ đồ khối của timer0 như sau:

Hình 3.6: Sơ đồ khối của Timer0

Muốn timer0 hoạt động ở chế độ Timer ta clearbitTOSC(OPTION_REG<5>)

,khi đó giá trị của thanh ghi TMR0 sẽ tăng theo chu kì đồng hồ(tần số vào timer0 bằng1/4 tần số oscillator).Khi giá trị thanh ghi TMR0 từ FFh trở về 00h,ngắt timer0 sẽ xuất hiện.Thanh ghi TMR0 cho phép ghi và xóa được giúp ta ấn định thời điểm ngắt timer0 xuất hiện một cách linh động.

3.1.10 Timer1:

            Timer1 là bộ đinh thời 16bit,giá trị của timer1 sẽ được lưu trong hai thanh ghi(TMR1H:TMR1L).Cờ ngắt của timer 1 là  bit TMR1IF(PIR1<0>).Bit điều khiển của timer1 sẽ là TMR1IE(PIE<0>).

            Tương tự như timer0,timer1 cũng có hai chế độ hoạt động:chế độ đinh thời(timer) với xung kích là xung clock của oscillator(tần số của timer bắng ¼ tần số của oscillator) và chế độ đếm(counter) với các xung kích là xung phản ánh các sự kiện đếm lấy từ bên ngoài thong qua chân RC0/T1OSO/T1CKI(cạnh tác động là cạnh lên).Việc lựa chọn các xung tác động được điều khiển bởi bit TMR1CS(T1CON<1>).Sơ đồ khối của Timer1: 

Hình 3.7: Sơ đồ khối của Timer1

Ngoài ra timer1 còn có chức năng reset input bên trong được điều khiển bởi một trong hai khối CCP(Capture/Compare/PWM).

Khi bit T1OSCEN(T1CON<3>) được set timer1 sẽ lấy xung clock từ hai chân RC1/T1OSI/CCP2 và RC0/T1OSO/T1CKI làm xung đếm.Timer1 sẽ bắt đầu

.............................................................................

= comInputModeBinary

    .InBufferCount = 0

    '.InputMode = comInputModeTextSS

    '.PortOpen = True

     txtgui.Text = 150

End With

End Sub

Private Sub MSComm1_OnComm()

'Dim erro11 As Integer

Dim nhan As String

Dim bienphu As Double

Dim bienphu2 As Integer

If MSComm1.CommEvent = comEvReceive Then

Dim rcv

If MSComm1.CommEvent = comEvReceive Then

 arr() = MSComm1.Input

txtnhan.Text = arr(0) * 1 + arr(1) * 1 'cong hai gia tri 2 byte, *1 de chuyen ve dang so

If Val(txtgui.Text) <= 1 Then ' chang nguong <0

 txtgui.Text = 1

 End If

 bienphu = Abs(Val(txtgui.Text) - Val(txtnhan.Text)) ' xu ly cho ra sai so

 bienphu = bienphu * 100

 bienphu = bienphu / Val(txtgui.Text)

 txtsaiso.Text = bienphu

 txtdungtich.Text = Val(txtnhan.Text) * 112.2 ' tinh the tich

 With TChart1.Series(0) ' ve muc thuc

.AddXY i, Val(txtnhan.Text), "", vbBlue

End With

 With TChart1.Series(1) ' ve cai dat

.AddXY i, Val(txtgui.Text), "", vbRed

End With

i = i + 1

 End If

 End If

End Sub

Chương 7: TÓM TẮT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

7.1 Tóm Tắt Đề Tài

            Trãi qua một thời gian nghiên cứu thực hiện đề tài, Đồ Án đã được hoàn  thành. Đối với Nhóm nghiên cứu trong quá trình thực hiện đã gặp nhiều vấn đề nảy sinh, đó cũng chính là những khó khăn đồng thời cũng chính là động lực thúc đẩy để nhóm nghiên cứu hoàn thành Đồ Án Tốt Nghiệp này. Nội dung của đề tài được nêu trong tất cả 6 chương. Trong các chương : 3,4,5,6 Nhóm nghiên cứu giới thiệu các tài liệu liên quan đến việc thiết kế như : những kiến thức về thu phát sóng siêu âm, lập trình giao tiếp máy tính trên giao diện visual basic , các chức năng của vi điều khiển PIC16F887A, ngôn nhữ lập trình C và khảo sát các linh kiện trong mạch.

Do kiến thức còn hạn chế nên quá trình thực hiện chắc không tránh khỏi những thiếu sót và việc trình bày nội dung cũng có những chỗ chưa hoàn thiện. Rất mong được quý Thầy Cô góp ý và bổ sung để Đề tài Nghiên Cứu này được hoàn thiện hơn. Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn.

7.2 Hướng Phát Triển Đề Tài

Trong thời gian nghiên cứu đề tài nhóm nghiên cứu đã gặp nhiều trở ngại song với sự nổ lực của từng cá nhân trong nhóm và tinh thần làm việc theo nhóm cuối cùng đề tài cũng đã hoàn thiện đúng theo thời gian quy định. Qua một thời gian làm một cách nghiêm túc đã giúp những người thực hiện đề tài học thêm được nhiều điều, đó là cách làm việc khoa học, sự sáng tạo, độc lập nghiên cứu, và nhất là sự hợp tác làm việc theo nhóm.

Hướng phát triển của đề tài là có thể kết hợp Logic Mờ với PID. Với phương pháp điều khiển kết hợp Mờ PID để có thể khi thay đổi thông sốvan xả của đối tượng bồn nước thì luật điều khiển vẫn có khả năng điều khiển hệ thống hoạt động ở trạng thái ổn định.

7.3 Hạn chế và hướng khắc phục

            Do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên bên cạnh việc thi công mô hình thật hệ bồn nước, giải thuật của luận văn dừng lại ở việc xây dựng bộ điều khiển On-Off. Nhược điểm của phương pháp này là tính ổn định chưa cao, để khắc phục hiện tượng này, người viết đã chỉnh định thông số của bộ điều khiển và làm trơn hóa tín hiệu hồi tiếp về từ sensor, kết hợp lý thuyết logic mờ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

2.   Giáo Trình Vi Xử Lí Trường đại Học Công nghiệp TP.HCM

3. Dương Minh Trí.Cảm Biến Và Ứng Dụng.Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật,2000.

4.   Lê Văn Thảnh Nguyên lý Tổng đài điện tử, Trung tâm đào tạo Bưu chính viễn thông II,1996.

5. Diễn dàn điện tử việt nam, codientubka.com…