Luận văn Hệ thống giám sát điều khiển thiết bị sử dụng vi điều khiển STM8S003F3P6 và sóng RF (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Hệ thống giám sát điều khiển thiết bị sử dụng vi điều khiển STM8S003F3P6 và sóng RF (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3P6 VÀ SÓNG RF GVHD: ThS. DƯƠNG THỊ CẨM TÚ SVTH: TRẦN KHẮC KIỆT MSSV: 08101065 S K L 0 0 4 2 4 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3P6 VÀ SÓNG RF GVHD: Th.S Dƣơng Thị Cẩm Tú SVTH: Trần Khắc Kiệt Lớp: 081011C, Hệ chính qui MSSV: 08101065 Tp. Hồ Chí Minh - 01/2016 GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ
3. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trƣớc đó. GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ
4. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Để có thể thực hiện thành công đề tài này, nhóm thực hiện đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ, tƣ vấn từ cô Dƣơng Thị Cẩm Tú. Trong quá trình thực hiện đề tài thầy đã hƣớng dẫn nhóm thực hiện đề tài rất nhiệt tình. Luôn đốc thúc, nhắc nhở để nhóm có thể hoàn thành đề tài đúng yêu cầu, đúng tiến độ. Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn Cô. Ngƣời thực hiện đề tài cũng chân thành cảm ơn tất cả các Th ầy, Cô trong khoa điện - điện tử đã tạo điều kiện để đề tài hoàn thành đúng thời hạn. Cảm ơn tất cả các baṇ đa ̃ nhiêṭ tình đóng góp nhƣ̃ng ý kiến , giúp đỡ để cho đ ề tài hoàn thiêṇ hơn. Cuối cùng ngƣời thực hiện đề tài cũng xin cảm ơn gia đình đa ̃ tích cƣc̣ đôṇ g viên, khuyến khích, tạo mọi điều kiện và trƣc̣ tiếp hỗ trơ ̣ kinh phí, tinh thần để đề tài tốt nghiệp đƣơc̣ hoàn thành đúng thời hạn. Trân trọng ! Tp.HCM, tháng 01 năm 2016 Ngƣời thực hiện đề tài Trần Khắc Kiệt GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ
5. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÓM TẮT Ngày nay phƣơng thức truyền nhận dữ liệu không dây đang ngày càng phát triển và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong khoa học kỹ thuật, trong cuộc sống. Các hệ thống không dây thƣờng nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí do không phải sử dụng dây nối. Các hệ thống không dây thƣờng sử dụng sóng wifi, sóng RF. Những ứng dụng, hệ thống cỡ nhỡ, trung bình thì sử dụng sóng wireless để truyền nhận dữ liệu là một lựa chọn hợp lí. Sau một thời gian thực hiện đề tài nhóm đạt đƣợc những kết quả: - Xây dựng đƣợc một mô hình của hệ thống gồm 1 master, 1slave sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20. Trong đó master có khả năng truyền và nhận dữ liệu từ slaver qua sóng RF và ngƣợc lại. - Xây dựng đƣợc giao diện giám sát và điều khiển trên máy tính bằng ngôn ngữ C# sử dụng phần mềm Microsoft Visual studio 2010. - Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý, các đặc tính của vi điều STM8S003F3P6 - Tìm hiểu về cách lập trình C trong IAR Embedded Workbench cho vi điều khiển STM8S003F3P6. - Tìm hiểu cảm biến nhiệt độ DS18B20. - Tìm hiểu và có khả năng sử dụng module thu - phát sóng RFnRF24L01 của hãng Nordic. GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ
6. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC CHƢƠNG I: DẪN NHÂP̣ 1 1.1.Lí Do Chọn Đề Tài. 1 1.2.Giới Thiệu Đề Tài. 1 1.3.Ý Nghĩa Đề Tài. 2 1.4.Nội Dung Nghiên Cứu. 2 1.5.Giới Hạn Đề Tài. 2 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3 2.1.Giới Thiệu Về Sóng RF Và Điều Khiển Từ Xa Bằng Sóng RF 3 2.1.1.Sóng vô tuyến (RF) 3 2.1.2. Cách tạo sóng RF 4 2.1.3. Điều khiển từ xa bằng sóng RF 5 2.2.Giới Thiệu Về Vi Điều Khiển 6 2.2.1. Giới thiệu về vi điều khiển 6 2.2.2.Phân loại 6 2.2.3. Cấu trúc tổng quan của vi điều khiển 7 2.3.Giới Thiệu Về Chuẩn Truyền Thông SPI Và UART 8 2.3.1. Truyền thông SPI 8 2.3.2.Truyền thông UART. 10 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 12 3.1.Sơ Đồ Khối 12 3.1.1.Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống 12 3.1.2.Sơ đồ khối Master 13 3.1.3.Sơ đồ khối Slave 13 3.2.Các Khối Cơ Bản 14 3.2.1. Khối xử lý 14 3.2.2.Khối truyền nhận 16 3.2.3.Khối cảm biến 18 3.2.4.Khối hiển thị. 20 3.2.5.Khối UART 21 3.2.6. Khối RELAY 22 3.2.7.Khối nguồn 23 3.3.Lƣu Đồ Giải Thuật 25 3.3.1 Lƣu đồ giải thuật khối Master 25 3.3.2.Lƣu đồ giải thuật khối Slave 26 3.4.Sơ Đồ Nguyên Lý. 27 3.4.1.Sơ đồ nguyên lý khối Master 27 3.4.2.Sơ đồ nguyên lý khối Slave 28 3.5.Sơ Đồ Mạch In 28 CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 30 GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ
7. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.1.Yêu Cầu 30 4.2.Giao Diện Giám Sát Và Điều Khiển 31 4.3.Lƣu Đồ Chƣơng Trình Điều Khiển 32 CHƢƠNG V : KẾT QUẢ 33 5.1. Kết Quả Thực Tế. 33 5.2.Nhận Xét 39 CHƢƠNG VI : KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN 40 6.1.Kết Luận 40 6.2.Hƣớng Phát Triển. 40 PHỤ LỤC 42 I.VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3P6 42 1.Giới thiệu chung. 42 2.Sơ đồ chân 44 3.Cấu trúc bộ nhớ 47 4.Xung nhịp hoạt động 48 5.Các bộ định thời 49 6. Hoạt động ngắt VĐK. 51 7.Hoạt động giao tiếp của VĐK với các ngọa vi. 53 8. Chuyển đổi ADC 56 9.Giao tiếp SPI 56 10.Giao tiếp UART 58 II. GIỚI THIỆU VỀ MODULE nRF24L01 63 1.Giới thiệu. 63 2.Khảo sát chip nRF24L01. 64 2.1.Cấu trúc phần cứng. 64 2.2.Điều kiện làm việc. 65 2.3.Hoạt động của nRF24L01. 65 2.4.Chức năng Shockburst. 68 2.5.Giao tiếp SPI của nRF24L01. 69 2.6.Hoạt động đọc/ghi của chuẩn SPI. 69 2.7.Các thanh ghi trong nRF24L01. 70 2.8.Module nRF24L01. 79 III.CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DS18B20. 80 1.Sơ lƣợc về cảm biến nhiệt độ DS18B20 80 2.Cấu trúc cảm biến DS18B20. 80 2.5.Giao tiếp giữa Vi điều khiển và DS18B20. 84 IV.CHƢƠNG TRÌNH BIÊN DỊCH VÀ CODE CHƢƠNG TRÌNH 85 1.Chƣơng trình biên dịch. 85 2.Code chƣơng trình. 85 2.1.Chƣơng trình cho Master. 85 GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ
8. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2.Chƣơng trình cho Slave. 93 2.3.Các hàm dùng trong chƣơng trình 98 2.4.Code cho giao diện điều khiển 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 MỤC LỤC HÌNH Hình 2.1:Master và Slave độc lập 9 Hình 2.2: Cách nối Daisy-Chained 10 Hình2.3: Giao tiếp UART 11 Hình 2.4: Khung dữ liệu cho giao tiếp UART 11 Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống 12 Hình 3.2: Sơ đồ khối Master 13 Hình 3.3: Sơ đồ khối Slave 13 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý 15 Hình 3.5: Module nRF24L01IA 17 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý module nRF24L01IA 17 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khối truyền nhận kết nối VĐK. 18 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến kết nối VĐK 19 Hình 3.9: Mạch nguyên lý kết nối LCD kết nối VĐK 21 Hình 3.10: Nguyên lý khối UART kết nối VĐK 22 Hình 3.11: Mạch nguyên lý khối Relay kết nối VĐK 23 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp 24 Hình 3.13: Lƣu đồ giải thuật khối Master 25 Hình 3.14: Lƣu đồ giải thuật khối Slave 26 Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý mạch Master 27 Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý khối Slave 28 Hình 3.17: Sơ đồ sắp xếp linh kiện trên board Master và board Slave 28 Hình 3.18: Mạch in trên board Master và board Slave 29 Hình 4.1: Giao diện điều khiển trên máy tính 31 Hình 4.2: Lƣu đồ giải thuật giao tiếp máy tính 32 Hình 5.1: Cấp nguồn cho board Slave 33 Hình 5.2: Xác định cổng COM đƣợc kết nối 34 Hình 5.3: Cấp nguồn cho board Master 35 Hình 5.4: Nhiệt độ hiển thị trên Slave khi cấp nguồn cho Master 36 Hình 5.5: Lƣu file dữ liệu 37 Hình 5.6: Giao điện điều khiển đƣợc kết nối 38 GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ
9. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.7: File dữ liệu đƣợc lƣu với thời gian cập nhât 2s 39 Hình 1: Hình ảnh thực tế của STM8 42 Hình 2: Sơ đồ chân của STM8S003F3P6 44 Hình 3: Cấu trúc bên trong của STM8S 46 Hình 4: Bộ nhớ dữ liệu 47 Hình 5: Bộ nhớ chƣơng trình 48 Hình 6: Các nguồn xung clock cho VĐK 49 Hình 7: Sơ đồ khối timer 1 50 Hình 8: Sơ đồ khối timer 2 51 Hình 9: Sơ đồ khối cấu trúc thah ghi của VĐK. 53 Hình 10: Sơ đồ khối giao tiếp SPI 56 Hình 11: Mô tả khung hình truyền 59 Hình 12: Module USB to UART 62 Hình 13: Mạch nguyên lý USB to UART 62 Hình 14 : Sơ đồ khối chip nRF24L01. 64 Hình 15: Sơ đồ chân chip nRF24L01. 64 Hình 16: Biểu đồ hoạt động ghi SPI của nRF24L01. 70 Hình 17: Biểu đồ hoạt động đọc SPI của nRF24L01. 70 Hình 18: Sơ đồ nguyên lí module nRF24L01 80 Hình 19 : Sơ đồ chân của DS18B20. 80 Hình 20: Sơ đồ khối của DS18B20. 81 Hình 21: Tổ chức của bộ nhớ đệm. 81 Hình 22: Các cách cấp nguồn cho DS18B20 82 GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ
10. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1: Phân loại tần số 3 Bảng 3.1: Chức năng các chân của LCD 20 Bảng 1: Một số thông số của STM8S003F3P6 44 Bảng 2: Chức năng của các chân 46 Bảng 3: Các sự kiện ngắt 52 Bảng 4:Bảng thanh ghi và địa chỉ của các port 54 Bảng 5: Bảng cấu hình ngõ ra/vào cho thanh ghi CR1 và CR2 55 Bảng 6: Đặc tính và pha của xung trong giao tiếp SPI 57 Bảng 7: Các thanh ghi sử dụng trong giao tiếp SPI 58 Bảng 8: Mô tả các tốc độ baud 60 Bảng 9: Cách kiểu định dạng Frame hình để truyền. 60 Bảng 10: Thanh ghi sử dung và vùng địa chỉ của chúng trong giao tiếp UART 60 Bảng 11: Chức năng các chân của nRF24L01 64 Bảng 12: Điều kiện làm việc của nRF24L01. 65 Bảng 13: Các chế độ hoạt động của nRF24L01. 65 Bảng 14: Thời gian chuyển đổi giữa các chế độ. 67 Bảng 15: Mã lệnh SPI của nRF24L01 69 Bảng 16: Kí hiệu trong biểu đồ hoạt động SPI 70 Bảng 17: Register CONFIG 70 Bảng 18: Register EN_AA 71 Bảng 19: Register EN_RXADDR 72 Bảng 20: Register SETUP_AW 72 Bảng 21: Register SETUP_RETR 73 Bảng 22: Register RF_CH 73 Bảng 23: Register RF_SETUP 73 Bảng 24: Register STATUS 74 Bảng 25: Register OBSERVE_TX 74 Bảng 26: Register CD 75 Bảng 27: Register TX_ADDR 76 Bảng 28: Register RX_PW_P0 RX_PW_P0 77 Bảng 29: Register FIFO_STATUS 78 Bảng 30: Register RX_PLD 79 Bảng 31: Register TX_PLD 79 Bảng 32: Lựa chọn độ phân giải cho DS18B20 83 GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ
11. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG I CHƢƠNG I: DẪN NHÂP̣ 1.1.Lí Do Chọn Đề Tài. Ngày nay phƣơng thức truyền nhận dữ liệu không dây đang ngày càng phát triển và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong khoa học kỹ thuật, trong cuộc sống. Các hệ thống không dây thƣờng nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí do không phải sử dụng dây nối. Các hệ thống không dây thƣờng sử dụng sóng wifi, sóng RF. Những ứng dụng, hệ thống cỡ nhỡ, trung bình thì sử dụng sóng wireless để truyền nhận dữ liệu là một lựa chọn hợp lí. Một hệ thống không dây không chỉ nhỏ gọn nó còn đòi hỏi phải tiết kiệm năng lƣợng để hệ thống có thể sử dụng trong thời gian dài với các nguồn cấp độc lập nhƣ pin, năng lƣợng mặt trời. Dựa trên những đòi hỏi này nhóm đã quyết định sử dụng dòng vi điều khiển STM8 của hãng STMicroelectronic, một dòng vi điều khiển sử dụng nguồn áp thấp 3.3V và module thu phát sóng RF nRF24L01 của Nordic cũng sử dụng điện áp 3.3V cho đề tài . Với module nRF24L01 có ƣu điểm là dễ sử dụng, khoảng cách truyền nhận xa, sử dụng tần số sóng RF ở 2.4GHz nên độ chính xác cao, ít nhiễu. 1.2.Giới Thiệu Đề Tài. Đề tài mà nhóm thực hiện là “ Hệ thống giám sát điều khiển thiết bị sử dụng vi điều khiển STM8S003F3P6 và sóng RF ”. Do vấn đề thời gian cũng nhƣ giới hạn về tiền bạc nên trong đề tài nhóm thực hiện chỉ sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20 để giám sát, kiểm tra nhiệt độ của hệ thống. Đề tài sử dụng VĐK STM8S003F3P6 để xử lí dữ liệu và điều khiển, sử dụng module nRF24L01 để truyền nhận dữ liệu. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu trong đề tài nhóm đã dùng mạch chuyển USB sang UART ( FT232RL) để giao tiếpUART giữa vi điều khiển với máy tính. Trong đề tài này nhóm xây dựng một mô hình gồm 1 master và 1 slave để truyền nhận dữ liệu sử dụng cho giám sát và điều khiển. Bên cạnh hiển thị thông tin nhiệt độ trên LCD tại các module, nhóm còn xây dựng giao diện giám sát, điều khiển trên máy tính để tiện lợi cho ngƣời dùng. GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang 1
12. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG I 1.3.Ý Nghĩa Đề Tài. Việc nghiên cứu đề tài là cơ sở, nền tảng để có thể thiết kế các hệ thống không dây ứng dụng trong cuộc sống. Ví dụ : Các hệ thống điều khiển, cảnh báo không dây từ xa, hệ thống truyền nhận dữ liệu không dây. Với ƣu điểm nhỏ gọn, tiết kiệm năng lƣợng. 1.4.Nội Dung Nghiên Cứu. - Thiết kế kế phần cứng cho đề tài - Thiết kế chƣơng trình điều khiển. - Thiết lập hệ thống giám sát điều khiển sử dụng sóng RF. - Tạo giao diện giám sát điều khiển trên máy tính bằng ngôn ngữ lập tình C# sử dụng phần mềm Microsoft visual studio 2010. - Truyền nhận thông tin bằng sóng RF. - Tìm hiểu vi điều khiển STM8S ( Đại diện là con STM8S003F3P6), module nRF24L01 và cảm biến nhiệt độ DS18B20. 1.5.Giới Hạn Đề Tài. - Mô hình đề tài chỉ giới hạn ở 1 master, 1 slave. - Khoảng cách truyền nhận dữ liệu của các module từ 30m – 40m. - Số lƣợng cảm biến ít. Chỉ giới hạn sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20. - Chƣa có nguồn bổ sung cho mạch khi có sự cố mất điện. GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang 2
13. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Giới Thiệu Về Sóng RF Và Điều Khiển Từ Xa Bằng Sóng RF 2.1.1.Sóng vô tuyến (RF) Những dao động điện từ có tần số hàng chục và hàng trăm Hz bức xạ rất yếu. Sóng điện từ của chúng không có khả năng truyền đi xa. Trong thông tin vô tuyến, ngƣời ta sử dụng những sóng có tần số từ hàng nghìn Hz trở lên, gọi là sóng vô tuyến.Sóng RF (tần số vô tuyến) là sóng điện từ có dải tần số nằm trong khoảng 3 KHz tới 300 GHz. Bảng 2.1 : Phân loại tần số Bƣớc Tên Tần số Tên gọi Công dụng sóng gọi Chứa tần số điện mạng 30 – 10^4 km- Tần số cực ELF xoay chiều, các tín hiệu đo 300 Hz 10^3 km kỳ thấp lƣờng từ xa tần thấp. 300 – 10^3 km- Chứa các tần số kênh thoại Tần số thoại VF 3000 Hz 100 km tiêu chuẩn. Chứa phần trên của dải nghe đƣợc của tiếng nói. 3 – 100 km- Tần số rất Dùng cho hệ thống an ninh, VLF 30 kHz 10 km thấp quân sự, chuyên dụng, thông tin dƣới nƣớc (tàu ngầm). 30 – 10 km- Dùng cho dẫn đƣờng hàng Tần số thấp LF 300 kHz 1 km hải và hàng không. Dùng cho phát thanh thƣơng mại sóng trung 300 kHz - 1 km- Tần số trung MF (535 – 1605 kHz). Cũng 3 MHz 100m bình đƣợc dùng cho dẫn đƣờng hàng hải và hàng không. Dùng trong thông tin vô tuyến 2 chiều với mục đích 3 MHz - 100m- thông tin ở cự ly xa xuyên Tần số cao HF 30 MHz 10m lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dƣ, phát thanh quảng bá GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang 3
14. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II Dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM 30 - Tần số rất thƣơng mại (88 đến 10m-1m VHF 300 MHz cao 108 MHz), truyền hình thƣơng mại (kênh 2 đến 12 tần số từ 54 - 216 MHz). Dùng cho các kênh truyền hình thƣơng mại từ kênh 14 đến kênh 83, các dịch vụ 300 MHz 1m- Tần số cực UHF thông tin di động mặt đất, - 3 GHz 10 cm cao di động tế bào, một số hệ thống radar và dẫn đƣờng, hệ thống vi ba và vệ tinh. Dùng cho các kênh truyền hình thƣơng mại từ kênh 14 đến kênh 83, các dịch vụ 3 – 10 cm- Tần số siêu SHF thông tin di động mặt đất, 30 GHz 1 cm cao di động tế bào, một số hệ thống radar và dẫn đƣờng, hệ thống vi ba và vệ tinh. 30 – 1 cm- Tần số cực Ít sử dụng trong thông tin EHF 300 GHz 1mm kỳ cao vô tuyến. 2.1.2. Cách tạo sóng RF  Cách tạo ra sóng RF : - Để có sóng RF dùng trong điều khiển vô tuyến , khởi đầu ngƣời ta dùng mac̣ h dao đôṇ g côṇ g hƣởng LC đƣơc̣ kết nối bởi môṭ cuôṇ dây và môṭ tu ̣điêṇ . Khi mạch LC bị kích thích , trong cuôṇ dây se ̃ xuất hiêṇ tƣ̀ trƣờng và trong tu ̣điêṇ sẽ xuất hiện điện trƣờng . Khi vào traṇ g thái côṇ g hƣởng , tƣ̀ trƣờng trong cuôṇ dây L và điêṇ trƣờng trong tu ̣C se ̃ kết hơp̣ taọ ra daṇ g sóng điêṇ tƣ̀ trƣờng . Dùng dây anten phù h ợp cho phát sóng trong mac̣ h LC vào không gian , đến đây sóng RF dùng cho công viêc̣ điều khiển vô tuyến đã đƣ ợc tạo ra. 1 - Tần số cộng hƣởng là 0 = 2 퐿 - Dùng mạch cộng hƣởng LC tạo sóng mang có tần số lớn, sau đó tạo ra các mã lệnh điều khiển, gắn các mã lệnh điều khiển này vào sóng mang bằng các phƣơng pháp điều chế rồi phát chúng vào không gian. GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang 4
15. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II 2.1.3. Điều khiển từ xa bằng sóng RF Là loại điều từ xa xuất hiện đầu tiên và đến nay vẫn giữ một vai trò quan trọng và phổ biến trong đời sống. Nếu điều khiển dùng hồng ngoại (IR) chỉ dùng trong nhà thì điều khiển RF lại dùng cho nhiều vật dụng bên ngoài nhƣ các thiết bị mở cửa garage xe, hệ thống điều khiển từ xa dùng trong các loại đồ chơi điện tử, hệ thống vệ tinh  Hoạt động Với loại điều khiển này, nó cũng sử dụng nguyên lý tƣơng tự nhƣ điều khiển bằng hồng ngoại nhƣng thay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng, nó lại truyền sóng vô tuyến tƣơng ứng với các lệnh nhị phân. Bộ phận thu sóng vô tuyến trên thiết bị đƣợc điều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó.  Ƣu điểm: - Truyền xa hơn IR với khoảng cách khoảng 30m hoặc có thể lên tới 100m. - Truyền xuyên tƣờng, kính  Nhƣợc điểm: Bị nhiễu sóng do bên ngoài có rất nhiều các thiết bị máy móc sử dụng các tần số khác nhau  Các khắc phục:Tránh nhiễu sóng bằng cách truyền ở các tần số đặc biệt và nhúng mã kĩ thuật số địa chỉ của thiết bị nhận trong các tín hiệu vô tuyến. Điều này giúp bộ thu vô tuyền trên thiết bị hồi đáp tín hiệu tƣơng ứng một cách chính xác. GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang 5
16. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II 2.2.Giới Thiệu Về Vi Điều Khiển 2.2.1. Giới thiệu về vi điều khiển Bộ Vi xử lý có khả năng vƣợt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính toán, xử lý, và thay đổi chƣơng trình linh hoạt theo mục đích ngƣời dùng, đặc biệt hiệu quả đối với các bài toán và hệ thống lớn.Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, tầm tính toán không đòi hỏi khả năng tính toán lớn thì việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc. Bởi vì hệ thống dù lớn hay nhỏ, nếu dùng vi xử lý thì cũng đòi hỏi các khối mạch điện giao tiếp phức tạp nhƣ nhau. Các khối này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chƣơng trình thực hiện, các mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập và điều khiển trở lại, các khối này cùng liên kết với vi xử lý thì mới thực hiện đƣợc công việc. Để kết nối các khối này đòi hỏi ngƣời thiết kế phải hiểu biết tinh tƣờng về các thành phần vi xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi. Hệ thống đƣợc tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in phức tạp và vấn đề chính là trình độ ngƣời thiết kế. Kết quả là giá thành sản phẩm cuối cùng rất cao, không phù hợp để áp dụng cho các hệ thống nhỏ. Vì một số nhƣợc điểm trên nên các nhà chế tạo tích hợp một ít bộ nhớ và một số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất đƣợc gọi là Microcontroller - Vi điều khiển.  Một số đặc điểm khác nhau giữa vi xử lí và VĐK: - Về phần cứng: VXL cần đƣợc ghép thêm các thiết bị ngoại vi bên ngoài nhƣ bộ nhớ, và các thiết bị ngoại vi khác để có thể tạo thành một bản mạch hoàn chỉnh. Đối với VĐK thì bản thân nó đã là một hệ máy tính hoàn chỉnh với CPU, bộ nhớ, các mạch giao tiếp, các bộ định thời và mạch điều khiển ngắt đƣợc tích hợp bên trong mạch. - Về các đặc trƣng của tập lệnh: Do ứng dụng khác nhau nên các bộ VXL và VĐK cũng có những yêu cầu khác nhau đối với tập lệnh của chúng. Tập lệnh của các VXL thƣờng mạnh về các kiểu định địa chỉ với các lệnh cung cấp các hoạt động trên các lƣợng dữ liệu lớn nhƣ 1byte, ½ byte, word, double word Ở các bộ VĐK, các tập lệnh rất mạnh trong việc xử lý các kiêu dữ liệu nhỏ nhƣ bit hoặc một vài bit. - Do VĐK cấu tạo về phần cứng và khả năng xử lí thấp hơn nhiều soi với VXL nên giá thành của VĐK cũng rẻ hơn nhiều. Tuy nhiên nó vẫn đủ khả năng đáp ứng đƣợc tất cả các yêu cầu của ngƣời dùng. - Vi điều khiển đƣợc ứng dụng trong các dây chuyền tự động loại nhỏ, các robot có chức năng đơn giản, trong máy giặt, ôtô v.v 2.2.2.Phân loại  Độ dài thanh ghi - Dựa vào độ dài của các thanh ghi và các lệnh của VĐK mà ngƣời ta chia ra các loại VĐK 8bit, 16bit, hay 32bit - Các loại VĐK 16bit do có độ dài lệnh lớn hơn nên các tập lệnh cũng nhiều hơn, GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang 6
17. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II phong phú hơn. Tuy nhiên bất cứ chƣơng trình nào viết bằng VĐK 16bit chúng ta đều có thể viết trên VDK 8bit với chƣơng trình thích hợp.  Kiến trúc CISC và RISC - Kiến trúc CISC là VĐK hoặc VXL có tập lệnh phức tạp. Các VĐK này có một số lƣợng lớn các lệnh nên giúp cho ngƣời lập trình có thể linh hoạt và dễ dàng hơn khi viết chƣơng trình. - Cấu trúc RISC là VĐK có tập lệnh đơn giản. Chúng có một số lƣợng nhỏ các lệnh đơn giản. Do đó, chúng đòi hỏi phần cứng ít hơn, giá thành thấp hơn, và nhanh hơn so với CISC.Tuy nhiên nó đòi hỏi ngƣời lập trình phải viết các chƣơng trình phức tạp hơn, nhiều lệnh hơn.  Kiến trúc Harvard và kiến trúc Vonneumann - Kiến trúc Harvard sử dụng bộ nhớ riêng biệt cho chƣơng trình và dữ liệu. Bus địa chỉ và bus dữ liệu độc lập với nhau nên quá trình truyền nhận dữ liệu đơn giản hơn. - Kiến trúc Vonneumann sử dụng chung bộ nhớ cho chƣơng trình và dữ liệu,điều này làm cho VĐK gọn nhẹ hơn, giá thành nhẹ hơn.  Một số loại VĐK có trên thị trƣờng: - VĐK MCS-51: 8031, 8032, 8051, 8052, - VĐK ATMEL: 89Cxx, AT89Cxx51 - VĐK AVR AT90Sxxxx - VĐK PIC 16C5x, 17C43 2.2.3. Cấu trúc tổng quan của vi điều khiển  CPU:Là trái tim của hệ thống. Là nơi quản lí tất cả các hoạt động của VĐK. Bên trong CPU gồm: - ALU là bộ phận thao tác trên các dữ liệu. - Bộ giải mã lệnh và điều khiển, xác định các thao tác mà CPU cần thực hiện. - Thanh ghi PC, lƣu giũ địa chỉ của lệnh kế tiếp cần thực thi. - Một tập các thanh ghi dùng để lƣu thông tin tạm thời. - Thanh ghi lệnh IR, lƣu giữ opcode của lệnh đƣợc thực thi.  ROM: là bộ nhớ dùng để lƣu giữ chƣơng trình. ROM còn dùng để chứa số liệu các bảng, các tham số hệ thống, các số liệu cố định của hệ thống. Trong quá trình hoạt động nội dung ROM là cố định, không thể thay đổi, nội dung ROM chỉ thay đổi khi ROM ở chế độ xóa hoặc nạp chƣơng trình.  RAM:là bộ nhớ dữ liệu. Bộ nhớ RAM dùng làm môi trƣờng xử lý thông tin, lƣu trữ các kết quả trung gian và kết quả cuối cùng của các phép toán, xử lí thông tin. Nó cũng dùng để tổ chức các vùng đệm dữ liệu, trong các thao tác thu phát, chuyển đổi dữ liệu.  BUS:là các đƣờng dẫn dùng để di chuyển dữ liệu,bao gồm: bus địa chỉ,bus dữ liệu và bus điều khiển GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang 7
18. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II  Bộ định thời: Đƣợc sử dụng cho các mục đích chung về thời gian.  Watchdog: Bộ phận dùng để reset lại hệ thống khi hệ thống gặp “bất thƣờng”.  ADC: Bộ phận chuyển tín hiệu analog sang tín hiệu digital. Các tín hiệu bên ngoài đi vào VDK thƣờng ở dạng analog, ADC sẽ chuyển tín hiệu này về dạng tín hiệu digital mà VDK có thể hiểu đƣợc. 2.3.Giới Thiệu Về Chuẩn Truyền Thông SPI Và UART 2.3.1. Truyền thông SPI - SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hang Motorola đề xuất. Đây là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối quá trình tuyền thông và các chip Slaves đƣợc điều khiển bởi Master vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời.Khoảng cách truyền ngắn thƣờng để trao đổi dữ liệu với giữa các chip trên cùng một board mạch,tốc độ truyền khoảng vài Mhz/s.Đa số các dòng VĐK thƣờng tích hợp sẵn module giao tiếp SPI,dung để giao tiếp truyền dữ liệu với VĐK khác,hay với các ngoại vi nhƣ: cảm biến,ADC,SDcard,EPPROM SPI đôi khi đƣợc gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đƣờng giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select). Hình 2.1 thể hiện một kết SPI giữa một chip Master và 3 chip Slave thông qua 4 đƣờng. - SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần 1 đƣờng giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi. Đây là điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩn UART. Sự tồn tại của chân SCK giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao. Xung nhịp chỉ đƣợc tạo ra bởi chip Master. - MISO– Master Input / Slave Output: nếu là chip Master thì đây là đƣờng Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các Slaves đƣợc nối trực tiếp với nhau - MOSI – Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đƣờng Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input. MOSI của Master và các Slaves đƣợc nối trực tiếp với nhau. - SS – Slave Select: SS là đƣờng chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave đƣờng SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đƣờng SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave đó. Chỉ có 1 đƣờng SS trên mỗi Slave nhƣng có thể có nhiều đƣờng điều khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của ngƣời dùng. GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang 8
19. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II - Hoạt động:mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bit. Cứ mỗi xung nhịp do Master tạo ra trên đƣờng giữ nhịp SCK, một bit trong thanh ghi dữ liệu của Master đƣợc truyền qua Slave trên đƣờng MOSI, đồng thời một bit trong thanh ghi dữ liệu của chip Slave cũng đƣợc truyền qua Master trên đƣờng MISO. Do 2 gói dữ liệu trên 2 chip đƣợc gởi qua lại đồng thời nên quá trình truyền dữ liệu này đƣợc gọi là song công. Có 2 cách kết nối Master và Slave:  Master & Slave độc lập : Hình 2.1:Master và Slave độc lập Ở phƣơng pháp này, chip master cần nhiều đƣờng SS, có thể thay thế bằng đƣờng IO thông thƣờng. Trong một thời điểm chỉ nên giao tiếp với một chip slave để tránh trƣờng hợp các chip slave đẩy dữ liệu về cùng lúc sẽ gây lỗi dữ liệu trên đƣờng MISO. GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang 9
20. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II  Cách nối Daisy-Chained : Hình 2.2: Cách nối Daisy-Chained Ví dụ ta thực hiện giao tiếp SPI giữa Master và 3 thiết bị Slave. Cách nối dây nhƣ hình vẽ, khác với cách kết nối cơ bản, ở phƣơng pháp này ta chỉ sử dụng duy nhất 1 chân SS (Chip Select). Giả sử Master truyền đi 3 Byte dữ liệu lên Bus SPI. Byte đầu tiên đƣợc dịch vào Slave A. khi byte thứ hai truyền đến A, byte đầu tiên sẽ bị đẩy ra khỏi A và truyền đến B. Tƣơng tự, khi byte thứ ba truyền vào A, byte thứ hai sẽ bị dịch sang B và Byte đầu tiên sẽ bị dịch sang C. Nếu Master muốn đọc lại dữ liệu trong Slave A, nó phải truyền lại chuỗi 3 Byte dữ liệu (giả) lần nữa. Khi đó dữ liệu trong A sẽ chuyển sang B rồi chuyển sang C, sau đó về Master. Suốt quá trình sử lý, Master luôn nhận đƣợc Byte dữ liệu từ Slave B và C. Tuy nhiên, cách nối SPI Daisy-Chained không phải lúc nào cũng áp dụng đƣợc cho tất cả các thiết bị Slave. Do đó, ta cần phải tham khảo datasheet trƣớc khi tiến hành kết nối. 2.3.2.Truyền thông UART. UARTlà viết tắt của Universal Asynchronous Receive/Transmitter,tức là truyền nhận dữ liệu nối tiếp không đồng bộ giữa hai thiết bị. Sử dụng hai đƣờng truyền để truyền nhận dữ liệu đã đƣợc chuẩn hóa thành các khung dữ liệu, và sử dụng chung một tần số xung clock. Sử dụng giao tiếp UART có ƣu điểm là sử dụng ít đƣờng truyền, thiết lập cấu hình cũng nhƣ phƣơng thức truyền đơn giản. GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang 10
21. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II RX RX GENER VĐK ICDEVI TX TX CE Hình2.3: Giao tiếp UART Tuy nhiên cần thiết lập tốc độ truyền, tần số xung cũng nhƣ khung truyền một cách chính xác là giống nhau giữa hai thiết bị truyền nhận: - Baud rate: tốc độ Baud là tốc độ bit chia cho số bit đƣợc biểu diễn trong mỗi đơn vị truyền. - Frame(khung truyền): bên cạnh tốc độ Baud, khung truyền là một yếu tố quan trọng tạo nên sự thành công trong quá trình truyền nhận dữ liệu. Khung truyền bao gồm các quy định về số bit mỗi lần truyền, các start bit, stop bit, bit kiểm tra parity và các bit data cũng đƣợc quy định bởi khung truyền: - Start bit: là bit đầu tiên trong khung truyền, bit này báo cho thiết bị nhận biết rằng có dữ liệu đang truyền tới. - Data bit: là thông tin cần truyền, có thể có 7 hoặc 8 bit. - Parity bit: là bit kiểm tra dữ liệu truyền đúng không, gồm có parity chẵn và parity lẻ. - Stop bit: là bit báo cho thiết bị nhận biết là dữ liệu đã đƣợc gửi xong. Hình 2.4: Khung dữ liệu cho giao tiếp UART GVHD: ThS. DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang 11
22. S K L 0 0 2 1 5 4