báo cáo đồ án hệ thống nhúng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN TỬBỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

HỆ THỐNG NHÚNG

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Tuấn Linh

Nhóm sinh viên : Hoàng Văn Trọng

Phạm Văn Quân

Đào Mạnh Đức

Lớp : K44DDK .

Thái Nguyên – 2012

ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Nguyễn Tuấn Linh

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn................................................................................................................................

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

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

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

Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2012 Giáo Viên hướng dẫn

(Ký ghi rõ họ tên)

Nhận xét của giáo viên chấm................................................................................................................................

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

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

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

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

Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2012 Giáo Viên hướng dẫn

(Ký ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................3CHUƠNG 1: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN.............................................................4

1.Giới thiệu về pin mặt trời :...........................................................................5

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 1


1.1. Sự chuyển đổi ánh sáng sang năng lượng điện:............................51.2. Ưu nhược điểm của pin mặt trời :.................................................5

2. Khảo sát và phân tích bài toán...................................................................62.1. Lựa chọn giải pháp công nghệ và giải pháp thiết kế........................72.2. Các yêu cầu............................................................................................82.3. Điều kiện ràng buộc..............................................................................8

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG.............................................................82.1. Sơ đồ tổng quát..........................................................................................82.2. Sơ đồ Call Graph của hệ thống................................................................92.3. Sơ đồ đặc tả..............................................................................................102.4. Các module trong hệ thống....................................................................11

2.4.1. Module nguồn...................................................................................112.4.2. Module điều khiển trung tâm.........................................................112.4.3. Module cảm biến ánh sáng..............................................................122.4.4. Module chấp hành............................................................................13

2.5. Lựa chọn linh kiện................................................................................132.5.1. Vi điều khiển PIC16F877A...........................................................132.5.2. Led đơn.............................................................................................202.5.3. Transistor..........................................................................................212.5.4. Tụ điện............................................................................................222.5.5. Rơle.................................................................................................232.5.6. IC ổn áp..........................................................................................232.5.7. Điot....................................................................................................242.5.8. Điện trở, quang trở..........................................................................25

2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch..........................................................................26CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG HỆ THỐNG.........................................................27

3.1 Xây dựng phần cứng................................................................................273.1.1 Sơ đồ bố trí linh kiện.........................................................................273.1.2 Sơ đồ mạch in....................................................................................28

3.2. Xây dựng phần mềm...............................................................................293.2.1. Sơ đồ thuật toán...............................................................................293.2.2. Mã lập trình......................................................................................30

3.3. Hình ảnh và hướng dẫn sử dụng sản phẩm..........................................32ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN.............................................................................33TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................33

LỜI NÓI ĐẦU

Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng

lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ ’ Bắc đến ’ Bắc,



Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Năng

lượng mặt trời có những ưu điểm như: Sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng

thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản

xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm

phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là nguồn năng

lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn

kiệt

Tại Việt Nam, theo các nhà khoa học, nếu phát triển tốt điện mặt trời sẽ

góp phần đẩy nhanh Chương trình điện khí hóa nông thôn (Dự kiến đến năm

2020, cung cấp điện cho toàn bộ 100% hộ dân nông thôn, miền núi, hải

đảo…).Ngoài chiếu sáng, năng lượng mặt trời còn có thể ứng dụng trong lĩnh

vực nhiệt, đun nấuBên cạnh đó năng lượng mặt trời để đun nước nóng và đưa

loại bình đun nước nóng này vào ứng dụng tại một số tỉnh: Hải Phòng, Quảng

Ninh, Nam Định, Thanh Hóa, Sơn La…

Với những lý thuyết đã học ở trường cùng với sự đam mê tìm tòi nghiên

cứu chúng em đã chọn đề tài « Thiết kế bộ điều khiển tấm pin năng lượng

mặt trời, tự động quay theo hướng mặt trời » để làm đồ án môn học.

Sau một thời gian học tập và ràn luyện cùng với sự chỉ bảo tận tình của

thầy giáo Nguyễn Tuấn Linh, thầy Nguyễn Tuấn Anh cùng các thầy cô trong bộ

môn cộng với việc tham khảo các tài liệu có liên quan chúng em đã hoàn thành

xong đồ án.

Quá trình thiết kế sản phẩm không tránh khỏi những thiếu sót.Chúng em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn sinh viên để hệ thống được hoàn thiện hơn. Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tuấn Linh và thầy

Nguyễn Tuấn Anh cùng toàn thể các thầy cô trong bộ môn đã nhiệt tình hướng

dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này:

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHUƠNG 1: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN

1.Giới thiệu về pin mặt trời :



Pin mặt trời là công nghệ sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác

dụng của mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, nó sẽ sinh ra

điện năng. Khi không có áng sáng, các tế bào này ngừng sản xuất điện. quá trình

chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện.

1.1.Sự chuyển đổi ánh sáng sang năng nượng điện:

Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

1. Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi

năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên

mức năng lượng cao hơn.

2. Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra

khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng

lượng cao hơn.

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt

electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và

thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa.

Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di

chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là "lỗ

trống". Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di

chuyển đến điền vào "lỗ trống", và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận

có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy "lỗ trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán

dẫn.

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích

electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương

đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi

silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt

nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được.

1.2.Ưu nhược điểm của pin mặt trời :

Ưu điểm:



- Là hiệu quả kinh tế, gọn, nhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời,

tuyệt đối an toàn khi sử dụng.

- Các hệ thống pin mặt trời có khả năng hòa lưới điện hoặc hoạt động độc lập,

và có thể cung cấp điện cho nhiều ứng dụng: từ các hệ thống cấp điện cho các

tòa nhà, căn hộ, tới các hệ thống cấp điện cho các hệ thống chiếu sáng công

cộng, hay cho các đài tiếp âm viễn thông từ xa.

- Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá) và

bền vững, góp phần bảo vệ môi trường…

Nhược điểm:

- Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi khá một vùng rộng lớn để cài đặt để đạt được

một mức độ tốt hiệu quả.

- Hiệu quả của hệ thống cũng phụ thuộc vào vị trí của mặt trời.

- Việc săn xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các đám

mây ô nhiễm trong không khí.

2. Khảo sát và phân tích bài toán

Hiện nay ở nước ta pin mặt trời cũng đã được đưa vào sử dụng nhưng thường

chỉ được gắn cố định một hướng do đó không tận dụng khai thác được hết hiệu

suất sử dụng của pin.


http://www.facts-about-solar-energy.com/renewable-resources.html


Hình 1.1. Hệ thống pin mặt trời tại trung tâm y tế thành phố Tam Kỳ tỉnh Quảng Nam.

Do vậy để nâng cao hiệu suất sử dụng pin, người ta đã ứng dụng công nghệ

mới nhất để chế tạo tấm pin, sự suất hiện của công nghệ bán dẫn thay cho cong

nghệ pin đồng dioxit đã cho ra đời thế hệ pin mặt trời có hiệu suất chuyển hóa

cao lên tới 85%. Nâng cao năng lượng mặt trời đưa đến pin nhằm tận dụng đến

mức cao nhất nguồn năng lượng. các biện pháp được áp dụng là sử dụng thấu

kính hoặc gương phản xạ tập trung ánh sang lên bề mặt tấm pin, điều khiển

hướng của pin quay theo hướng vuông góc với ánh sang mặt trời. Trong đó, biện

pháp điều khiển pin quay theo hướng mặt trời đã và đang được ứng dụng cho

những hệ thống pin mặt trời lớn tại nước ngoài.

2.1. Lựa chọn giải pháp công nghệ và giải pháp thiết kế

Qua phân tích ở trên chúng em lựa chọn giải pháp sử dụng vi điều khiển kết hợp

với mạch quang trở, động cơ để tạo ra tín hiệu điều khiển tấm pin quay theo

hướng mặt trời.

- Thiết kế mạch quang trở với một số linh kiện như quang trở, biến trở.

- Sử dụng vi điều khiển để nhận tín hiệu , xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu

điều khiển đến thiết bị điều khiển



- Thiết bị điều khiển là toàn bộ hệ thống động cơ, mạch đảo chiều, hộp số.

Trục động cơ được dẫn động với trục quay của tấm pin qua hộp số và dây

xích, dùng hộp số làm tăng mômen tải cho động cơ.

2.2. Các yêu cầu

- Cảm biến ánh sáng mặt trời

- Xác định độ lệch góc của tấm PIN so với hướng ánh nắng

- Tự động điều chỉnh tấm PIN sao cho cường độ chiếu sáng vào tấm PIN là lớn

nhất

- Có khả năng nâng cấp và cải tiến

2.3. Điều kiện ràng buộc

- Làm việc tin cậy ,đảm bảo liên tục điều khiển được thiết bị

- Bộ điều khiển phải nhỏ gọn, kết cấu chắc chắn

- Làm việc tốt trong nhiệt độ từ 100C đến 450C.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1. Sơ đồ tổng quát

+ Khối nguồn: sử dụng nguồn 12V và 5V.

+ Khối cảm biến ánh sáng: mạch quang trở để so sánh tín hiệu ánh sáng.

+ Khối điều khiển trung tâm: sử dụng Pic 16F877A để xử lý tín hiệu đưa ra

mạch điều khiển động cơ.

+ Mạch động lực: sử dụng mạch điều khiển đóng cắt, đảo chiều động cơ.

+ Động cơ lái: hệ thống động cơ được dẫn động với trục quay của tấm pin mặt

trời.

+ Khối hiển thị: gồm 2 led đơn hiển thị chiều quay tấm pin.



Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát

2.2. Sơ đồ Call Graph của hệ thống

Hình 2.2. Sơ đồ Call Graph

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

Khối điều khiển trung tâm

Mạch động lực

Khối đầu vào

Khối nguồn chung

Động cơ lái

8

Khối hiển thị

Đọc tương tự

Đọc nút bấm

Điều khiển

động cơ

Sensor Công tắc Động cơ

LED

Hiển thị trạng thái

Chương trình điều khiển

Sensor LDR Công tắc hành trình

Động cơ DC LED đơn


2.3. Sơ đồ đặc tả

Hình 2.3. Sơ đồ đặc tả


Không bấm nút

Có tín hiệu adc

Đọc ADC Đọc nút bấm

9

Đợi

Kiểm tra adc

Kiểm tra tín hiệu

Kiểm tra nút bấm

Điều khiển động cơ

Đọc tín hiệu

Có tín hiệu nút bấm

Dừng động cơ Dừng động cơ

Không có tín hiệu adc


2.4. Các module trong hệ thống

2.4.1. Module nguồn

Hình 2.4: Module khối nguồn

Module này tạo ra điện áp một chiều từ nguồn xoay chiều 220V để cung

cấp cho các linh kiện trong hệ thống. Sử dụng biến áp để biến điện áp xoay chiều

220V thành điện áp xoay chiều 12V, dùng chỉnh lưu từ 12V xoay chiều sang

12V một chiều, dùng IC 7812, IC 7805 ổn áp để lấy ra điện áp ổn định 12V, 5V

ở ngõ ra.

2.4.2. Module điều khiển trung tâm

Khối điều khiển trung tâm dùng vi điều khiển Pic 16F877A

Bộ tạo dao động dùng thạch anh 20M cung cấp nguồn dao động cho Pic

Bộ Reset cấp nguồn 5V và xác lập trạng thái ban đầu cho Pic.

Y 1Z TB

C 3

C 4

T1 3

T1 4


CAU CHINH LUU

VI1

VO3

GN

D2

7812

VI1

VO3

GN

D2

7805TIP41

TIP41

NGUON 12V~

Tu loc nguon

12V

5V

V1

R5RES

Vcc-5V

C5 BT

10


V 1

P V N 1

P I C 1 6 F 8 7 7 A

R A 0 / A N 02

R A 1 / A N 13

R A 2 / A N 2 / V R E F -/ C V R E F4

R A 3 / A N 3 / V R E F +5

R A 4 / T0 C K I / C 1 O U T6

R A 5 / A N 4 / S S * / C 2 O U T7

R B 0 / I N T3 3

R B 13 4

R B 23 5

R B 3 / P G M3 6

R B 43 7

R B 53 8

R B 6 / P G C3 9

R B 7 / P G D4 0

R C 0 / T1 O S O / T1 C K I1 5

R C 1 / T1 O S I / C C P 21 6

R C 2 / C C P 11 7

R C 3 / S C K / S C L1 8

R C 4 / S D I / S D A2 3

R C 5 / S D O2 4

R C 6 / TX/ C K2 5

R C 7 / R X/ D T2 6

R D 0 / P S P 01 9

R D 1 / P S P 12 0

R D 2 / P S P 22 1

R D 3 / P S P 32 2

R D 4 / P S P 42 7

R D 5 / P S P 52 8

R D 6 / P S P 62 9

R D 7 / P S P 73 0

O S C 1 / C L K I N1 3

O S C 2 / C L K O U T1 4

V D D3 2

V D D1 1

V S S3 1

V S S1 2

M C L R * / V P P1

R E 0 / R D * / A N 58

R E 1 / W R * / A N 69

R E 2 / C S * / A N 71 0

S 1

S 3S 4S 5S 6S 7

S 2

L 1L 2

V o u t TH 1TH 2

T1 3T1 4

Hình 2.5: Module điều khiển trung tâm

2.4.3. Module cảm biến ánh sáng

Hình 2.6: Module cảm biến ánh sáng

Bộ phận cảm biến ánh sáng gồm 2 quang trở có tác dụng đọc và so sánh

tín hiệu ánh sáng được đưa vào 2 chân analog của VĐK


1.0LDR1 1.0 LDR2

BIEN TRO BIEN TRO

11


2.4.4. Module chấp hành

Bộ phận chấp hành có Role nối với thiết bị điện. Vi xử lý sau khi xử lý tín

hiệu sẽ gửi lệnh điều khiển để đóng mở Transistor cấp nguồn cho cuộn dây của

Role (dòng hoặc áp). Động cơ được với nguồn 12V một chiều qua tiếp điểm của

Role, khi Role1 tác động, Role2 chưa tác động thì động cơ được cấp nguồn và

quay theo chiều thuận, khi Role 1 thôi tác động, Role2 tác động thì động cơ quay

với chiều ngược lại. Khi cả 2 Role không tác động, động cơ ngắt nguồn dừng lại

để đảm bảo cho hệ thống có thể quay theo cả 2 chiều và dừng lại khi ánh sáng

chiếu vuông góc với tấm pin.

Hình 2.7 : Module chấp hành của hệ thống

2.5.Lựa chọn linh kiện.

2.5.1. Vi điều khiển PIC16F877A

Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 16F877A


RL2

Diot

C828

TIP41

R1

10K 10K

10K 10k 10k 10k

+88.8

TIP41

C828

RL1

Diot

Dong co

12


Hình 2.8: Sơ đồ chân PIC 16F877A

Một vài thông số về vi điều khiển PIC 16F877AĐây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ

dài 14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt

động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương

trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM

với dung lượng 256x8 byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O. Các đặc tính ngoại

vi bao gồm các khối chức năng sau:

Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit.

Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa

vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep.

Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler. Hai bộ Capture/so sánh/điều

chế độ rộng xung.

Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C. Chuẩn

giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.

Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, CS

bên ngoài.



Các đặc tính Analog: 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit. Hai bộ so sánh.

Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần. Bộ nhớ EEPROM với khả

năng ghi xóa được 1.000.000 lần. Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40

năm. Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm. Nạp được

chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông

qua 2 chân. Watchdog Timer với bộ dao động trong. Chức năng bảo mật mã

chương trình. Chế độ Sleep. Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác

nhau.

Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A

Hình 2.9 : Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A



Tổ chức bộ nhớ Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương

trình (program memory) và bộ nhớ dữ liệu (data memory) .

Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash ,

dung lượng bộ nhớ 8k word (1 word= 14bit) và được phân thành nhiều trang (từ

page 0 đến page 3) .Như vậy bộ nhớ chương trinh có khả năng chứa được

8*1024 =8192 lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14

bit). Để mã hóa được địa chỉ của 8k word bộ nhớ chương trình , bộ đếm chương

trình có dung lượng 13 bit (PC<12:0>) . Khi vi điều khiển reset , bộ đếm chương

trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (reset vector). Khi có ngắt xảy ra , bộ đếm chương

trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h (interrupt vector). Bộ nhớ chương trình không bao

gồm bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau.

Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia ra làm

nhiều bank. Đối với PIC16F877A bộ nhớ dữ liệu được chia ra làm 4 bank.

Mỗi bank có dung lượng 128 byte, bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt

SFG (Special Function Register) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi

mục đích chung GPR (General Purpose Pegister) nằm ở vùng địa chỉ còn lại

trong bank. Các thanh ghi SFR thường xuyên được sử dụng (ví dụ như thanh ghi

STATUS) sẽ được đặt ở tất cà các bank của bộ nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong

quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh của chương trình.

Stack không nằm trong bộ nhớ chương trình hay bộ nhớ dữ liệu mà là một

vùng nhớ đặc biệt không cho phép đọc hay ghi. Khi lệnh CALL được thực hiện

hay khi một ngắt xảy ra làm chương trình bị rẽ nhánh, giá trị của bộ đếm chương

trình PC tự động được vi điều khiển cất vào trong stack. Khi một trong các lệnh

RETURN, RETLW hat RETFIE được thực thi, giá trị PC sẽ tự động được lấy ra

từ trong stack, vi điều khiển sẽ thực hiện tiếp chương trình theo đúng qui trình

định trước.

Bộ nhớ Stack trong vi điều khiển PIC họ 16F87xA có khả năng chứa được

8 địa chỉ và hoạt động theo cơ chế xoay vòng. Nghĩa là giá trị cất vào bộ nhớ

Stack lần thứ 9 sẽ ghi đè lên giá trị cất vào Stack lần đầu tiên và giá trị cất vào



bộ nhớ Stack lần thứ 10 sẽ ghi đè lên giá trị 6 cất vào Stack lần thứ 2. Cần chú ý

là không có cờ hiệu nào cho biết trạng thái stack, do đó ta không biết được khi

nào stack tràn. Bên cạnh đó tập lệnh của vi điều khiển dòng PIC cũng không có

lệnh POP hay PUSH, các thao tác với bộ nhớ stack sẽ hoàn toàn được điều khiển

bởi CPU.

Các cổng xuất nhập của PIC16F877A Cổng xuất nhập (I/O port) chính là phương tiện mà vi điều khiển dùng để

tương tác với thế giới bên ngoài. Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua quá

trình tương tác đó, chức năng của vi điều khiển được thể hiện một cách rõ ràng.

Một cổng xuất nhập của vi điều khiển bao gồm nhiều chân (I/O pin), tùy

theo cách bố trí và chức năng của vi điều khiển mà số lượng cổng xuất nhập và

số lượng chân trong mỗi cổng có thể khác nhau. Bên cạnh đó, do vi điều khiển

được tích hợp sẵn bên trong các đặc tính giao tiếp ngoại vi nên bên cạnh chức

năng là cổng xuất nhập thông thường, một số chân xuất nhập còn có thêm các

chức năng khác để thể hiện sự tác động của các đặc tính ngoại vi nêu trên đối

với thế giới bên ngoài. Chức năng của từng chân xuất nhập trong mỗi cổng hoàn

toàn có thể được xác lập và điều khiển được thông qua các thanh ghi SFR liên

quan đến chân xuất nhập đó.

Port A

Port A (RPA) bao gồm 6 I/O pin. Đây là các chân “hai chiều”

(bidirectional pin), nghĩa là có thể xuất và nhập được. Chức năng I/O này được

điều khiển bởi thanh ghi TRISA (địa chỉ 85h). Muốn xác lập chức năng của một

chân trong PortA là input, ta “set” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong

thanh ghi TRISA và ngược lại, muốn xác lập chức năng của một chân trong Port

A là output, ta “clear” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi

TRISA. Thao tác này hoàn toàn tương tự đối với các PORT còn lại. Bên cạnh đó

Port A còn là ngõ ra của bộ ADC, bộ so sánh, ngõ vào analog ngõ vào xung

clock của Timer0 và ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous

Serial Port).

Các thanh ghi SFR liên quan đến Port A bao gồm:

Port A (địa chỉ 05h) : chứa giá trị các pin trong



Port A. TRISA (địa chỉ 85h) : điều khiển xuất nhập.

CMCON (địa chỉ 9Ch) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh.

CVRCON (địa chỉ 9Dh) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp.

ADCON1 (địa chỉ 9Fh) : thanh ghi điều khiển bộ ADC.

Port B

Port B (RPB) gồm 8 pin I/O. Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng

là TRISB. Bên cạnh đó một số chân của Port B còn đươc sử dụng trong quá

trình nạp chương trình cho vi điều khiển với các chế độ nạp khác nhau. Port B

còn liên quan đến ngắt ngoại vi và bộ Timer0. Port B còn được tích hợp chức

năng điện trở kéo lên được điều khiển bởi chương trình.

Các thanh ghi SFR liên quan đến Port B bao gồm:

Port B (địa chỉ 06h,106h) : chứa giá trị các pin trong

Port B TRISB (địa chỉ 86h,186h) : điều khiển xuất nhập

OPTION_REG(địa chỉ 81h,181h): điều khiển ngắt ngoại vi và bộ Timer0

Port C

PortC (RPC) gồm 8 pin I/O. Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là

TRISC. Bên cạnh đó Port C còn chứa các chân chức năng của bộ so sánh, bộ

Timer1, bộ PWM và các chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART.

Các thanh ghi điều khiển liên quan đến Port C:

Port C (địa chỉ 07h) : chứa giá trị các pin trong

Port C TRISC (địa chỉ 87h) : điều khiển xuất nhập.

Port D

Port D (RPD) gồm 8 chân I/O, thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng

là TRISD. Port D còn là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp PSP (Parallel

Slave Port).

Các thanh ghi liên quan đến Port D bao gồm:

Thanh ghi Port D : chứa giá trị các pin trong Port D.

Thanh ghi TRISD : điều khiển xuất nhập.

Thanh ghi TRISE : điều khiển xuất nhập Port E và chuẩn giao tiếp PSP.

Port E

Port E (RPE) gồm 3 chân I/O. Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng



là TRISE. Các chân của PortE có ngõ vào analog. Bên cạnh đó Port E còn là các

chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP.

Các thanh ghi liên quan đến Port E bao gồm:

Port E : chứa giá trị các chân trong PortE.

TRISE : điều khiển xuất nhập và xác lập các thông số cho chuẩn giao tiếp

PSP

ADCON1: thanh ghi điều khiển khối ADC.

Ngắt (Interrupt) PIC16F877A có đến 15 nguồn tạo ra hoạt động ngắt được điều khiển bởi thanh ghi INTCON (bit GIE). Bên cạnh đó mỗi ngắt còn có một bit điều khiển và cờ ngắt riêng. Các cờ ngắt vẫn được set bình thường khi thỏa mãn điều kiện ngắt xảy ra bất chấp trạng thái của bit GIE, tuy nhiên hoạt động ngắt vẫn phụ thuộc vào bit GIE và các bit điều khiển khác. Bit điều khiển ngắt RB0/INT và TMR0 nằm trong thanh ghi INTCON, thanh ghi này còn chứa bit cho phép các ngắt ngoại vi PEIE. Bit điều khiển các ngắt nằm trong thanh ghi PIE1 và PIE2. Cờ ngắt của các ngắt nằm trong thanh ghi PIR1 và PIR2.

Trong một thời điểm chỉ có một chương trình ngắt được thực thi, chương

trình ngắt được kết thúc bằng lệnh RETFIE. Khi chương trình ngắt được thực

thi, bit GIE tự động được xóa, địa chỉ lệnh tiếp theo của chương trình chính

được cất vào trong bộ nhớ Stack và bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ

0004h. Lệnh RETFIE được dùng để thoát khỏi chương trình ngắt và quay trở về

chương trình chính, đồng thời bit GIE cũng sẽ được set để cho phép các ngắt

hoạt động trở lại. Các cờ hiệu được dùng để kiểm tra ngắt nào đang xảy ra và

phải được xóa bằng chương trình trước khi cho phép ngắt tiếp tục hoạt động trở

lại để ta có thể phát hiện được thời điểm tiếp theo mà ngắt xảy ra.

Đối với các ngắt ngoại vi như ngắt từ chân INT hay ngắt từ sự thay đổi

trạng thái các pin của PORTB (PORTB Interrupt on change), việc xác định ngắt

nào xảy ra cần 3 hoặc 4 chu kì lệnh tùy thuộc vào thời điểm xảy ra ngắt.

Cần chú ý là trong quá trình thực thi ngắt, chỉ có giá trị của bộ đếm

chương trình được cất vào trong Stack, trong khi một số thanh ghi quan trọng sẽ

không được cất và có thể bị thay đổi giá trị trong quá trình thực thi chương trình

ngắt. Điều này nên được xử lý bằng chương trình để tránh hiện tượng trên xảy



ra.

Ngắt INT

Ngắt này dựa trên sự thay đổi trạng thái của pin RB0/INT. Cạnh tác động

gây ra ngắt có thể là cạnh lên hay cạnh xuống và được điều khiển bởi bit

INTEDG (thanh ghi OPTION_ REG <6>). Khi có cạnh tác động thích hợp xuất

hiện tại pin RB0/INT, cờ ngắt INTF được set bất chấp trạng thái các bit điều

khiển GIE và PEIE. Ngắt này có khả năng đánh thức vi điều khiển từ chế độ

sleep nếu bit cho phép ngắt được set trước khi lệnh SLEEP được thực thi.

Ngắt do sự thay đổt trạng thái các PIN trong Port B

Các pin PORTB<7:4> được dùng cho ngắt này và được điều khiển bởi bit

RBIE (thanh ghi INTCON<4>). Cờ ngắt của ngắt này là bit RBIF

(INTCON<0>).

2.5.2. Led đơn

Hình 2.10: Led đơn

Thực chất là các điot có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử

ngoại, cũng giống như diot, led được cấu tạo từ một khối bán dẫn loai P và một

khối bán dẫn loại N ghép với nhau.



2.5.3. Transistor

a. Định nghĩa

Transistor được hình thành từ ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai

mối tiếp giáp P-N ,nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép

theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. về phương diện cấu tạo Transistor

tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau. Cấu trúc này được gọi là

Bipolar Junction Transitor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm

cả hai loại điện tích âm và dương (Bipolar nghĩa là hai cực tính). Ba lớp bán dẫn

được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B (Base), lớp bán

dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp. Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối

ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết

tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P ) nhưng có kích

thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được.

Hình 2.11: Hình ảnh transistor

b. Nguyên tắc hoạt động của Transitor:

Trong chế độ tuyến tính hay còn gọi là chế độ khuyếch đại, Transitor là

phần tử khuyếch đại dòng điện với dòng Ic bằng β lần dòng bazo (dòng điều

khiển ) Trong đó β là hệ số khuyếch đại dòng điện : IC = β.IB

c. Tip41:

Là loại transistor NPN



Hình 2.12: TIP 41

Chân 1 Chân 2 Chân 3

B E C

Thông số kỹ thuật:

Công suất cực đại Pmax : 65W

Dòng Ic, Ic max : 6A, 10A

Dòng IB max : 2A

Điện áp : 100V

Hfe : 15-75

Thông số Điều kiện Min Typ Max Đơn vị

Thời gian mở Ic=1A

Ib(on)=100mA

Ib(off)=-100mA

0.3

Thời gian tắt VBE(off)=-4V

V RL=20 ohm

tP=20

1

2.5.4. Tụ điện


BC

E


Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các

mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch

truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động.

Hình 2.13: Một số loại tụ điện

2.5.5. Rơle

Rơle là một công tắc điều khiển từ xa đơn giản, nó dùng một dòng nhỏ để

điều khiển một dòng lớn vì vậy nó được dùng để bảo vệ công tắc nên cũng được

xem là một thiết bị bảo vệ. Một rơle điển hình điều khiển mạch và cả điều khiển

nguồn. Kết cấu rơle gồm có một lõi sắt ,một cuộn từ và một tiếp điểm.

Hình 2.14: Cấu tạo một Rơ le đơn giản và hình ảnh Role 5V

2.5.6. IC ổn áp

7812:

7812 là một mạch tích hợp bộ điều chỉnh điện áp. Đây là một dòng IC của họ 78xx

điều chỉnh điện áp tuyến tính cố định. Nguồn điện áp trong mạch có thể có biến động và

sẽ không cho lượng điện áp cố định. Các vi mạch điều chỉnh điện áp duy trì điện áp đầu ra

tại một giá trị không đổi. Các xx trong 78xx cho biết lượng điện áp cố định nó được thiết

kế để cung cấp: 7812 cung cấp nguồn +12 V...



Hình 2.15: IC ổn áp 7812

7805:

7805 là một mạch tích hợp bộ điều chỉnh điện áp. Đây là một dòng IC của họ 78xx

điều chỉnh điện áp tuyến tính cố định. Nguồn điện áp trong mạch có thể có biến động và

sẽ không cho lượng điện áp cố định. Các vi mạch điều chỉnh điện áp duy trì điện áp đầu ra

tại một giá trị không đổi. Các xx trong 78xx cho biết lượng điện áp cố định nó được thiết

kế để cung cấp: 7805 cung cấp nguồn +5 V...

Hình 2.16: IC ổn áp 7805

2.5.7. Điot

Được cấu tạo từ 2 lớp bán dẫn P và N tạo thành lớp tiếp giáp PN có tác

dụng cho dòng điện một chiều chạy qua.



Hình 2.17: Diot

2.5.8. Điện trở, quang trở

Điện trở:

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được

làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra

được các loại điện trở có trị số khác nhau ví dụ như:47k ,3.3k ,2.2k ,10k….

Hình 2.18: Điện trở

Quang trở

Là một loại điện trở, mà điện trở suất của nó giảm xuống rất nhanh khi có

ánh sáng chiếu vào, làm bằng CdS hoạt dộng trên hiện tượng quang dẫn



Hình 2.19: Quang trở

2.6.Sơ đồ nguyên lý mạch.

Sơ đồ toàn mạch:

Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch



CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG HỆ THỐNG

3.1 Xây dựng phần cứng

3.1.1 Sơ đồ bố trí linh kiện

Phần mạch điều khiển trung tâm

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí linh kiện khối điều khiển trung tâm

Phần mạch động lực

Hình 3.2: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch động lực



Phần mạch cảm biến ánh sáng

Hình 3.3: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch cảm biến ánh sáng

3.1.2 Sơ đồ mạch in Phần mạch điều khiển trung tâm

Hình 3.4: Sơ đồ mạch in khối điều khiển trung tâm



Phần mạch động lực

Hình 3.5: Mạch in mạch động lực

Phần mạch cảm biến ánh sáng

Hình 3.6: Mạch in khối cảm biến ánh sáng



3.2. Xây dựng phần mềm 3.2.1. Sơ đồ thuật toán


Bắt đầu

Đọc tín hiệu từ 2sensor ldr1,ldr2 và kt nút bấm start và finish

Nút Start=0

Nút finish=0

Ldr1>ldr2&& Ldr1>128

Ldr1<ldr2&& Ldr2>128

Dừng động cơ

Điều khiển động cơ quay về đầu

Điều khiển động cơ quay về phía ldr1

Đ ều khiển động cơ quay về phía ldr2

Ldr1=ldr2Dừng động cơ

S

ĐD

Đ

S

Đ

S

Đ

S

Đ

S

Kết thúc

29


3.2.2. Mã lập trình

#include<16f877a.h> //khai báo thư viện pic16f877a#device adc=8 //chọn cấu hình cho adc#use delay(clock=20m) //khai báo tần số thạch anh dùng cho hàm delay#define start pin_b6 //định nghĩa chân RB6 là chân bắt đầu hành trình#define finish pin_c2 //định nghĩa chân RC2 là chân kết thúc hành trình#define RB1 pin_b1 // định nghĩa chân RB1 tín hiệu điều khiển DC quay thuận#define RB0 pin_b0 // định nghĩa chân RB1 tín hiệu điều khiển DC quay ngược#int_rb //khai báo ngắt ở cổng RB (B4…B7)void rb_nutbam(void) //chương trình con phục vụ ngắt{if(input(start)==0){output_low(RB1);output_low(RB0); delay_ms(200) ;} //nếu nút bấm ở RB6 được nhấn thì dừng động cơ}float a,b; //khai báo số thực a và b để gán giá trị khi đọc ADC ở 2 sensor void main(){ //chương trình chínhsetup_adc(adc_clock_internal);//mở adc với chu kỳ lấy mẫu bằng xung clock icsetup_adc_ports(all_analog); //dùng tất cả các chân từ A0 đến A7 làm đầu vào tương tựset_tris_a(0xff); //chọn cổng A là cổng vàoset_tris_b(0xf0); //chọn từ B4 đến B7 là cổng vào,B0 đến B3 là cổng ra.set_tris_c(0xff); //chọn cổng C là cổng vàoset_tris_d(0xff); //chọn cổng D là cổng vàoenable_interrupts (INT_rb); //cho phép ngắt ở cổng RBenable_interrupts (GLOBAL); //cho phép ngắt toàn cục.ext_int_edge(1,H_to_L); //ngắt từ mức cao xuống thấp while(1){set_adc_channel(0); //chọn kênh ADC là kênh 0delay_us(10); //trễ 10 usa=read_adc(); //đọc ADC ở kênh 0 và lưu vào adelay_us(10); //trễ 10 usset_adc_channel(1); // chọn kênh ADC là kênh 1delay_us(10); //trễ 10 usb=read_adc(); //đọc ADC ở kênh 1 và lưu vào bdelay_us(10); //trễ 10 usif(a!=b){

if((a>b)&&(a>128)){ output_low(RB1);output_high(RB0);}// else if((b>a)&&(b>128)) {output_high(RB1);output_low(RB0);} }else { output_low(RB1);output_low(RB0);}if(input(finish)==0){ //nếu nút bấm ở RC2 được nhấn thì dừng động cơ



output_low(RB1);output_low(RB0); // thì dừng động cơdelay_ms(10000); //trễ một 10soutput_high(RB1);output_low(RB0);//quay tấm pin về vị trí đầudelay_ms(10000); } //trễ một 10s

}}

3.3. Hình ảnh và hướng dẫn sử dụng sản phẩm:

Hình 3.8: Sản phẩm

Hướng dẫn sử dụng:

-Hệ thống gồm có:mạch điều khiển,mạch động lực,mạch cảm biến,động

cơ,nguồn nuôi và khung cơ khí đỡ tấm pin mặt trời.



-khối nguồn sử dụng nguồn điện xoay chiều 220v qua biến áp sau đó chỉnh lưu

thành điện áp 1 chiều 5v cấp cho vi điều khiển và động cơ,12v cấp cho cuộn dây

của rơle .

-khối điều khiển gồm có:vi điều khiển pic16f877a,thạch anh,tụ điện và các điện

trở .

-khối mạch động lực gồm:2 rơ le,2 tranzitor c828,2 tip41,các điện trở treo và

động cơ.

-mạch cảm biến gồm:2 quang trở ldr,2 trở treo 10k.

-Để hệ thống làm việc ta cấp nguồn cho mạch điều khiển và mạch động lực khi

đó sensor sẽ đọc tín hiệu ánh sáng từ mặt trời.khi ánh sáng chiếu vào sensor nào

nhiều hơn thì vi điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay tấm pin về phía sensor

đó,khi tín hiệu giữa 2 sensor bằng nhau thì động ngừng hoạt động (khi tấm pin

vuông góc với hướng ánh sáng mặt trời chiếu vào).

-khi tấm pin quay và chạm vào công tắc ở cuối hành trình (trời sắp tối) thì động

cơ ngừng hoạt động sau một khoảng thời gian thì điều khiển động cơ quay tấm

pin về đầu hành trình.Khi tấm pin chạm vào công tắc đầu hành trình thì dừng

động cơ và tiếp tục đọc tín hiệu từ sensor .

ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN

Hệ thống định hướng pin mặt trời sẽ tăng hiệu suất sử dụng pin mặt trời,

qua đó tạo ra được một nguồn năng lượng đáng kể mà trong bối cảnh các nguồn

năng lượng cổ truyền (than đá, dầu mỏ…) đang ngày một cạn kiệt dần. Hơn nữa

nguồn năng lượng này được cho là vô tận và không gây ô nhiễm môi trường, nếu

khai thác được triệt để sẽ đáp ứng một phần lớn nhu cầu của con người.

Hệ thống có sử dụng vi điều khiển Pic, cơ bản đáp ứng được yêu cầu của

môn học.

Tuy nhiên hệ thống vẫn còn một số khuyết điểm là mới chỉ quay theo

được một hướng, không có khả năng nhận biết thời gian (ban ngày hay ban đêm,

mùa đông hay mùa hè). Trong ứng dụng thực tế, có thể đưa thêm vào hệ thống

một động cơ dẫn truyền cho một hướng nữa và bộ đếm thời gian thì sẽ đáp ứng

được tốt hơn khả năng tích trữ năng lượng.



TÀI LIỆU THAM KHẢO

Bài giảng Hệ thống nhúng – Bộ môn Kỹ thuật Máy tính, ĐH Kỹ thuật Công

Nghiệp Thái Nguyên – 2010

Bài giảng Vi xử lý- Vi điều khiển – Bộ môn Kỹ thuật Máy tính – ĐH Kỹ

thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – 2009

Sơ đồ chân linh kiện - Dương Minh Trí - Nhà xuất bản KH-KT- 09/2005

Một số tài liệu khác trên mạng:

dientuvietnam.net

picvietnam.com

sites.google.com/site/ktmttn

picat.dieukhien.net


báo cáo đồ án hệ thống nhúng

Documents