Đồ án HCMUTE: Thiết kế Kit phát triển The Sun dựa trên Vi điều khiển PIC

Đồ án HCMUTE: Thiết kế kit phát triển The Sun dựa trên vi điều khiển PIC. Tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên điện tử viễn thông.

• Tác giả: Lê Trần Hoàng Vũ
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Hiệp
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: CNKT Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế Kit Phát triển The Sun dựa trên vi điều khiển PIC
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT
• MỤC LỤC
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Một số kit phát triển cho vi điều khiển
• 2.1.1. Tại sao có các kit phát triển?
• 2.1.2. Các kit phát triển phổ biến
• 2.2. Yêu cầu thông thường của 1 kit phát triển vi điều khiển
• 2.3. Sơ lược về vi điều khiển PIC 16F887
• 2.3.1. Giới thiệu về PIC
• 2.3.2. Cấu trúc phần cứng
• 2.3.3. Sơ đồ chân và chức năng các chân
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ
• 3.1. Vấn đề thiết kế
• 3.2. Sơ đồ khối kit thí nghiệm (The Sun)
• 3.3. Thiết kế các khối
• 3.3.1. Module 1: Digital output – LED đơn trực tiếp
• 3.3.2. Module 2: Điều khiển IC số - LED đơn gián tiếp
• 3.3.3. Module 3: Điều khiển quét 4 led 7 đoạn
• 3.3.5. Module 5: Digital input - Nút nhấn đơn
• 3.3.7. Module 7: Counter đếm xung ngoại
• 3.3.8. Module 8: Điều khiển tải công suất
• 3.3.9. Module 9: Điều khiển băm xung PWM
• 3.3.10. Module 10: Mạch nạp
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG
• 4.1. Thi công board
• 4.2. Xây dựng các bài thí nghiệm mẫu cho kit
• 4.2.1. Bài thí nghiệm 1: Làm quen với kit thí nghiệm và chương trình hỗ trợ
• 4.2.2. Bài thí nghiệm 2: Digital output
• 4.2.3. Bài thí nghiệm 3: Digital input
• 4.2.4. Bài thí nghiệm 4: Dùng chân digital output để điều khiển relay
• 4.2.5. Bài thí nghiệm 5: Dùng chân digital để điều khiển IC số
• 4.2.6. Bài thí nghiệm 6: Điều khiển LED 7 đoạn
• 4.2.7. Bài thí nghiệm 7: Điều khiển LCD
• 4.2.8. Bài thí nghiệm 8: Chuyển đổi ADC
• 4.2.9. Bài thí nghiệm 9: Xung PWM
• 4.2.10. Bài thí nghiệm 10: Đếm xung ngoại - Counter
• 4.2.11. Bài thí nghiệm 11: Đếm xung nội và ngắt - Timer
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 5.1. Những kết quả đạt được
• 5.2. Những kết quả chưa đạt được
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Đồ Án Kit Phát Triển The Sun Dùng PIC 55 ký tự

Đồ án tập trung vào việc thiết kế và xây dựng một kit phát triển mang tên The Sun, sử dụng vi điều khiển PIC16F887. Mục tiêu chính là cung cấp một nền tảng thực hành hiệu quả cho sinh viên ngành Điều khiển và Tự động hóa tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Kit này được thiết kế để hỗ trợ việc học tập và nghiên cứu các khái niệm cơ bản và nâng cao về vi điều khiển, từ đó giúp sinh viên nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết cho công việc sau này. Khác với các hệ thống vi xử lý phức tạp đòi hỏi nhiều linh kiện và kiến thức chuyên sâu, vi điều khiển tích hợp nhiều thành phần quan trọng như CPU, bộ nhớ, và các module giao tiếp ngoại vi vào một chip duy nhất, giúp đơn giản hóa thiết kế và giảm chi phí. Đồ án này không chỉ là một dự án tốt nghiệp, mà còn là một công cụ hữu ích cho việc giảng dạy và học tập, tạo cơ hội cho sinh viên khám phá và ứng dụng kiến thức vào thực tế. PIC16F887 là lựa chọn lý tưởng vì sự phổ biến, tính năng đầy đủ và dễ tiếp cận cho người mới bắt đầu, đồng thời cung cấp nền tảng vững chắc để khám phá sâu hơn về họ vi điều khiển PIC. Theo tài liệu gốc, mục đích của kit là "Hỗ trợ học tập môn vi xử lý tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM".

1.1. Tại Sao Cần Kit Phát Triển Vi Điều Khiển PIC

Kit phát triển vi điều khiển PIC cung cấp một môi trường thử nghiệm và học tập trực quan. Thay vì phải xây dựng mạch điện từ đầu, người dùng có thể sử dụng kit để nhanh chóng kiểm tra các ý tưởng và thuật toán. Điều này đặc biệt hữu ích cho sinh viên và những người mới bắt đầu làm quen với vi điều khiển. Kit cho phép người dùng tương tác với môi trường thông qua cảm biến và cơ cấu chấp hành, mở ra khả năng tạo ra các thiết bị điều khiển và tự động hóa đơn giản. Bên cạnh đó, kit giúp giảm thiểu rủi ro hư hỏng linh kiện do đấu nối sai hoặc thiết kế không chính xác, từ đó tiết kiệm chi phí và thời gian. Việc sử dụng kit cũng giúp sinh viên tập trung vào việc lập trình và phát triển ứng dụng, thay vì tốn thời gian cho việc xây dựng mạch điện.

1.2. Tổng Quan Tính Năng Kit Phát Triển The Sun

Kit phát triển The Sun được thiết kế để tích hợp nhiều module quan trọng thường được sử dụng trong các ứng dụng vi điều khiển. Các module bao gồm: điều khiển LED đơn (trực tiếp và gián tiếp), LED 7 đoạn, LCD, đọc dữ liệu từ nút nhấn, cảm biến nhiệt độ LM35 và quang trở (sử dụng ADC), đếm xung ngoại (counter), điều khiển tải công suất (relay), và tạo xung PWM để điều khiển động cơ. Sự đa dạng của các module này cho phép người dùng thực hiện nhiều thí nghiệm và dự án khác nhau, từ đó nắm vững các khái niệm và kỹ năng quan trọng. Thiết kế của kit cũng chú trọng đến tính linh hoạt và khả năng mở rộng, cho phép người dùng kết nối thêm các module bên ngoài như Arduino, Bluetooth, ESP8266 để phát triển các ứng dụng phức tạp hơn.

II. Thách Thức Thiết Kế Kit The Sun Dùng Vi Điều Khiển PIC 58 ký tự

Quá trình thiết kế kit phát triển The Sun đối mặt với nhiều thách thức. Một trong số đó là làm thế nào để tích hợp nhiều module khác nhau vào một mạch nhỏ gọn mà vẫn đảm bảo tính dễ sử dụng và khả năng mở rộng. Việc chọn lựa linh kiện phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng, vì các linh kiện phải đáp ứng được yêu cầu về hiệu suất, độ tin cậy và giá thành. Ngoài ra, việc thiết kế mạch in (PCB) phải đảm bảo tính thẩm mỹ và dễ dàng cho việc lắp ráp và sửa chữa. Một thách thức khác là làm thế nào để xây dựng các bài thí nghiệm mẫu một cách rõ ràng và dễ hiểu, giúp người dùng nhanh chóng làm quen với kit và thực hiện các ứng dụng khác nhau. Cuối cùng, việc đảm bảo an toàn cho người dùng cũng là một ưu tiên hàng đầu, đặc biệt là khi làm việc với các module điều khiển tải công suất. Theo tài liệu gốc, một trong những mục tiêu là "Tạo cơ hội khám phá và học hỏi cho sinh viên, giúp sinh viên nắm bắt bài học một cách hiệu quả". Điều này đòi hỏi phải có sự cân bằng giữa tính năng, độ phức tạp và tính dễ sử dụng của kit.

2.1. Tối Ưu Số Lượng Linh Kiện và Kích Thước PCB

Việc tích hợp nhiều module vào một kit phát triển duy nhất đòi hỏi phải tối ưu hóa số lượng linh kiện và kích thước của bảng mạch in (PCB). Sử dụng các linh kiện nhỏ gọn, chẳng hạn như điện trở và tụ điện SMD, có thể giúp giảm đáng kể diện tích PCB. Ngoài ra, việc sử dụng các IC tích hợp nhiều chức năng cũng có thể giúp giảm số lượng linh kiện cần thiết. Tuy nhiên, cần phải cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo rằng việc giảm kích thước không ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của kit. Chẳng hạn, việc sử dụng các linh kiện quá nhỏ có thể gây khó khăn cho việc lắp ráp và sửa chữa.

2.2. Đảm Bảo Tính Dễ Sử Dụng Cho Sinh Viên Mới Bắt Đầu

Kit phát triển The Sun được thiết kế chủ yếu dành cho sinh viên, đặc biệt là những người mới bắt đầu làm quen với vi điều khiển. Do đó, tính dễ sử dụng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét. Các kết nối và chân cắm phải được đánh dấu rõ ràng và dễ hiểu. Các module nên được bố trí một cách logic và trực quan. Các bài thí nghiệm mẫu phải được trình bày một cách chi tiết và dễ làm theo. Ngoài ra, việc cung cấp tài liệu hướng dẫn đầy đủ và dễ hiểu cũng là rất quan trọng để giúp người dùng nhanh chóng làm quen với kit và thực hiện các ứng dụng khác nhau. Tránh sử dụng các thuật ngữ kỹ thuật quá phức tạp hoặc các phương pháp lập trình quá khó, để đảm bảo rằng người dùng có thể tiếp thu kiến thức một cách hiệu quả.

III. Phương Pháp Thiết Kế Kit Phát Triển The Sun Dùng PIC 57 ký tự

Phương pháp thiết kế kit phát triển The Sun dựa trên việc phân tích kỹ lưỡng các yêu cầu của môn học vi xử lý và nhu cầu thực tế của sinh viên. Sau khi xác định được các module cần thiết, nhóm thiết kế tiến hành lựa chọn linh kiện phù hợp và thiết kế sơ đồ nguyên lý cho từng module. Các linh kiện được chọn phải đảm bảo tính ổn định, dễ kiếm và có giá thành hợp lý. Sơ đồ nguyên lý được thiết kế sao cho đơn giản, dễ hiểu và dễ dàng cho việc kết nối và sử dụng. Tiếp theo, nhóm thiết kế tiến hành thiết kế mạch in (PCB) bằng phần mềm chuyên dụng. Mạch in được thiết kế sao cho nhỏ gọn, thẩm mỹ và dễ dàng cho việc lắp ráp và sửa chữa. Cuối cùng, nhóm thiết kế tiến hành thi công mạch, hàn linh kiện và kiểm tra hoạt động của kit. Trong quá trình này, nhóm thiết kế sử dụng các phương pháp phân tích lý thuyết, quan sát thực tế và thực nghiệm để đảm bảo rằng kit hoạt động đúng theo yêu cầu. Theo tài liệu gốc, các nhiệm vụ bao gồm "Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch, Thi công board: Làm mạch in, hàn linh kiện, Xây dựng các bài thí nghiệm mẫu".

3.1. Lựa Chọn Vi Điều Khiển PIC16F887 và Linh Kiện Phù Hợp

Việc lựa chọn vi điều khiển PIC16F887 là một quyết định chiến lược, dựa trên sự cân bằng giữa tính năng, giá thành và tính sẵn có. PIC16F887 cung cấp đủ số lượng chân I/O và các module ngoại vi cần thiết cho các ứng dụng cơ bản trong môn học vi xử lý. Ngoài ra, PIC16F887 cũng có cộng đồng người dùng lớn, cung cấp nhiều tài liệu và ví dụ hữu ích. Việc lựa chọn các linh kiện khác, như điện trở, tụ điện, LED, và LCD, cũng được thực hiện một cách cẩn thận, dựa trên các tiêu chí về hiệu suất, độ tin cậy và giá thành. Ví dụ, điện trở được chọn với dung sai thấp để đảm bảo độ chính xác của mạch, và tụ điện được chọn với điện áp định mức phù hợp để tránh hư hỏng.

3.2. Thiết Kế Mạch In PCB Nhỏ Gọn và Dễ Lắp Ráp

Thiết kế mạch in (PCB) là một bước quan trọng trong quá trình tạo ra kit phát triển The Sun. PCB phải được thiết kế sao cho nhỏ gọn, để giảm chi phí và dễ dàng cho việc vận chuyển và lưu trữ. Đồng thời, PCB cũng phải được thiết kế sao cho dễ dàng cho việc lắp ráp và sửa chữa. Điều này đòi hỏi phải bố trí các linh kiện một cách hợp lý, sử dụng các đường mạch có độ rộng và khoảng cách phù hợp, và đánh dấu rõ ràng các chân cắm và kết nối. Phần mềm KiCad được sử dụng để thiết kế PCB, cho phép tạo ra các file Gerber để sản xuất PCB tại các nhà máy chuyên nghiệp.

3.3. Xây Dựng Bài Thí Nghiệm Mẫu Chi Tiết và Dễ Hiểu

Các bài thí nghiệm mẫu là một phần không thể thiếu của kit phát triển The Sun. Các bài thí nghiệm này giúp người dùng nhanh chóng làm quen với kit và thực hiện các ứng dụng khác nhau. Các bài thí nghiệm mẫu phải được xây dựng một cách chi tiết và dễ hiểu, với các bước hướng dẫn rõ ràng và các giải thích đầy đủ. Các bài thí nghiệm mẫu nên bao gồm các ví dụ về điều khiển LED, đọc dữ liệu từ nút nhấn, hiển thị thông tin trên LCD, đọc dữ liệu từ cảm biến, điều khiển động cơ, và các ứng dụng khác liên quan đến môn học vi xử lý. Các bài thí nghiệm mẫu cũng nên được thiết kế sao cho có tính thử thách và khuyến khích người dùng khám phá và sáng tạo.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Kit Phát Triển The Sun Với PIC 54 ký tự

Kit phát triển The Sun có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tế. Ví dụ, nó có thể được sử dụng để xây dựng một hệ thống điều khiển nhiệt độ đơn giản, sử dụng cảm biến LM35 để đo nhiệt độ và relay để điều khiển máy sưởi hoặc máy làm mát. Nó cũng có thể được sử dụng để xây dựng một hệ thống đếm sản phẩm, sử dụng LED thu phát hồng ngoại để phát hiện sản phẩm và LCD để hiển thị số lượng sản phẩm. Ngoài ra, nó có thể được sử dụng để xây dựng một hệ thống điều khiển động cơ, sử dụng xung PWM để điều khiển tốc độ và hướng quay của động cơ. Các ứng dụng này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các khái niệm và kỹ năng đã học, mà còn giúp họ phát triển khả năng giải quyết vấn đề và sáng tạo. Theo tài liệu, một trong các module bao gồm "Các bài thí nghiệm về module LCD, Các bài thí nghiệm về module ADC, Các bài thí nghiệm về xung PWM".

4.1. Hệ Thống Điều Khiển Nhiệt Độ Dùng LM35 và Relay

Sử dụng cảm biến LM35 để đo nhiệt độ môi trường và vi điều khiển PIC16F887 để xử lý tín hiệu. Khi nhiệt độ vượt quá một ngưỡng nhất định, vi điều khiển sẽ kích hoạt relay để bật máy làm mát. Ngược lại, khi nhiệt độ xuống quá thấp, vi điều khiển sẽ kích hoạt relay để bật máy sưởi. Hệ thống này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như điều khiển nhiệt độ trong phòng, điều khiển nhiệt độ trong tủ lạnh, hoặc điều khiển nhiệt độ trong hệ thống sưởi ấm.

4.2. Hệ Thống Đếm Sản Phẩm Dùng LED Hồng Ngoại

Sử dụng cặp LED hồng ngoại (phát và thu) để phát hiện sản phẩm di chuyển qua. Khi sản phẩm chặn tia hồng ngoại, tín hiệu sẽ được gửi đến vi điều khiển PIC16F887. Vi điều khiển sẽ tăng số lượng sản phẩm lên 1 và hiển thị số lượng trên LCD. Hệ thống này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như đếm số lượng sản phẩm trên dây chuyền sản xuất, đếm số lượng người ra vào một khu vực, hoặc đếm số lượng xe cộ đi qua một trạm thu phí.

4.3. Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Dùng Xung PWM

Vi điều khiển PIC16F887 tạo ra xung PWM (Pulse Width Modulation) để điều khiển tốc độ động cơ. Bằng cách thay đổi độ rộng xung, có thể điều chỉnh điện áp trung bình cấp cho động cơ, từ đó điều khiển tốc độ quay của động cơ. Mạch cầu H (H-bridge) được sử dụng để đảo chiều quay của động cơ. Hệ thống này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như điều khiển tốc độ quạt, điều khiển tốc độ xe robot, hoặc điều khiển tốc độ máy bơm.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Hướng Phát Triển Kit PIC 51 ký tự

Đồ án đã đạt được một số kết quả đáng khích lệ. Kit phát triển The Sun đã được thiết kế và xây dựng thành công, đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Các module hoạt động ổn định và chính xác, cho phép người dùng thực hiện nhiều thí nghiệm và dự án khác nhau. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục trong tương lai. Ví dụ, kích thước của kit có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng các linh kiện nhỏ gọn hơn. Ngoài ra, cần phải xây dựng thêm các bài thí nghiệm mẫu phức tạp hơn, để đáp ứng nhu cầu của người dùng có trình độ cao hơn. Hướng phát triển của đồ án là tiếp tục hoàn thiện kit phát triển The Sun, bổ sung thêm các tính năng mới, và xây dựng một cộng đồng người dùng để chia sẻ kinh nghiệm và hỗ trợ lẫn nhau. Theo tài liệu gốc, hướng phát triển là "tiếp tục hoàn thiện kit phát triển The Sun, bổ sung thêm các tính năng mới".

5.1. Hoàn Thiện Thiết Kế Giảm Kích Thước Kit The Sun

Tiếp tục tối ưu hóa thiết kế PCB, sử dụng các linh kiện SMD nhỏ hơn, và bố trí các linh kiện một cách hợp lý hơn để giảm kích thước của kit. Điều này sẽ giúp giảm chi phí sản xuất và dễ dàng cho việc vận chuyển và lưu trữ. Bên cạnh đó, cần phải đảm bảo rằng việc giảm kích thước không ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của kit.

5.2. Bổ Sung Module Giao Tiếp Nâng Cao Bluetooth Wifi

Bổ sung các module giao tiếp không dây như Bluetooth và WiFi để mở rộng khả năng ứng dụng của kit. Điều này sẽ cho phép người dùng xây dựng các hệ thống điều khiển từ xa, các hệ thống IoT, và các ứng dụng khác liên quan đến kết nối không dây. Cần phải lựa chọn các module giao tiếp phù hợp với vi điều khiển PIC16F887 và cung cấp các thư viện và ví dụ để giúp người dùng dễ dàng sử dụng.

5.3. Xây Dựng Cộng Đồng Người Dùng và Chia Sẻ Tài Liệu

Tạo ra một diễn đàn hoặc trang web để người dùng có thể chia sẻ kinh nghiệm, đặt câu hỏi, và đóng góp ý kiến. Cung cấp các tài liệu hướng dẫn, các ví dụ, và các dự án mẫu để giúp người dùng nhanh chóng làm quen với kit và thực hiện các ứng dụng khác nhau. Khuyến khích người dùng đóng góp vào việc phát triển kit bằng cách chia sẻ các dự án của họ, báo cáo lỗi, và đề xuất các tính năng mới.

VI. Kết Luận và Tầm Quan Trọng Của Kit Phát Triển 53 ký tự

Đồ án "Thiết kế Kit Phát Triển The Sun Dựa Trên Vi Điều Khiển PIC" đã hoàn thành mục tiêu đề ra, cung cấp một công cụ hữu ích cho việc học tập và nghiên cứu vi điều khiển. Kit phát triển này không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết, mà còn khuyến khích họ sáng tạo và phát triển các ứng dụng thực tế. Mặc dù vẫn còn một số hạn chế, nhưng kit phát triển The Sun có tiềm năng lớn để trở thành một công cụ quan trọng trong lĩnh vực giáo dục và nghiên cứu vi điều khiển. Việc tiếp tục hoàn thiện và phát triển kit phát triển này sẽ góp phần nâng cao chất lượng đào tạo và thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử Việt Nam.

6.1. Đánh Giá Tác Động Của Đồ Án Đến Giáo Dục

Kit phát triển The Sun có thể cải thiện đáng kể chất lượng giảng dạy và học tập môn vi xử lý. Sinh viên có thể thực hành các khái niệm và kỹ năng đã học một cách trực quan và dễ dàng. Giáo viên có thể sử dụng kit để minh họa các khái niệm phức tạp và khuyến khích sinh viên tham gia vào các dự án thực tế. Điều này sẽ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về vi điều khiển và phát triển khả năng giải quyết vấn đề.

6.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Thực Tế Và Thương Mại Hóa

Ngoài ứng dụng trong giáo dục, kit phát triển The Sun còn có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác. Các kỹ sư và nhà phát triển có thể sử dụng kit để tạo ra các nguyên mẫu nhanh chóng và dễ dàng. Các doanh nghiệp có thể sử dụng kit để đào tạo nhân viên và phát triển các sản phẩm mới. Nếu được thương mại hóa, kit phát triển The Sun có thể trở thành một sản phẩm thành công trên thị trường, mang lại lợi nhuận cho nhà sản xuất và lợi ích cho người dùng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật điện tử và điều khiển tự động, vi điều khiển (Microcontroller) giữ vai trò then chốt nhờ khả năng tích hợp bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu và các khối giao tiếp ngoại vi trên một vi mạch đơn. So với các hệ thống vi xử lý truyền thống đòi hỏi cấu trúc mạch phức tạp, chiếm nhiều không gian và giá thành cao, vi điều khiển mang lại giải pháp tối ưu cho các thiết kế nhỏ gọn, tiêu tốn ít công suất và tập trung vào chức năng điều khiển chuyên biệt. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, môn học Vi xử lý là học phần cơ sở ngành quan trọng nhưng có tỷ lệ sinh viên không đạt tương đối cao do hạn chế về công cụ và điều kiện thực hành trực tiếp sau giờ học lý thuyết.

Trước thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế kit phát triển The Sun dựa trên vi điều khiển PIC" được thực hiện nhằm cung cấp một công cụ học tập phần cứng nhỏ gọn, chi phí thấp, tích hợp đầy đủ các khối ngoại vi bám sát chương trình đào tạo của nhà trường.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được tác giả xác định cụ thể:

1. Hoàn tất chương trình đào tạo để đủ điều kiện tốt nghiệp kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.
2. Phát huy những thành quả ứng dụng của vi điều khiển PIC 16F887 nhằm tạo ra sản phẩm kit thực hành và tài liệu tham khảo cho sinh viên các khóa sau.
3. Tự kiểm tra, hệ thống hóa kiến thức chuyên ngành đã học, đồng thời phát huy tính sáng tạo và khả năng giải quyết bài toán kỹ thuật theo nhu cầu thực tế.

Nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm:

1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho toàn bộ các khối chức năng trên bo mạch.
2. Thi công phần cứng: thiết kế mạch in (PCB), gia công và hàn lắp linh kiện hoàn thiện.
3. Xây dựng hệ thống 11 bài thí nghiệm mẫu bao gồm: module LED đơn trực tiếp, module LED đơn gián tiếp, module tải công suất, module nút nhấn đơn, module 4 LED 7 đoạn, module LCD, module ADC, xung PWM, module đếm xung ngoại và các bài thí nghiệm về Timer/ngắt.

Đối tượng nghiên cứu là kit phát triển phần cứng "The Sun" tích hợp vi điều khiển PIC 16F887 và các khối ngoại vi ứng dụng. Phạm vi nghiên cứu về không gian được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 07/2017; phạm vi nội dung tập trung vào dòng vi điều khiển 8-bit PIC 16F887 và các mạch giao tiếp điện tử cơ bản phục vụ phòng thí nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài tập trung vào kiến trúc phần cứng của dòng vi điều khiển PIC 16F887 do hãng Microchip sản xuất. Vi điều khiển này sở hữu tập lệnh rút gọn RISC gồm 35 lệnh độ dài 14 bit, hoạt động ở tần số xung nhịp tối đa 20 MHz tương ứng chu kỳ lệnh 200 ns. Bộ nhớ chương trình Flash có dung lượng 8192 words (8 Kword, độ rộng 14 bit), được chia làm 4 trang (page 0 đến page 3), địa chỉ hóa bởi bộ đếm chương trình 13 bit; bộ nhớ ngăn xếp (stack) gồm 8 mức 13 bit. Bộ nhớ dữ liệu SRAM gồm 368 byte chia thành 4 bank, quản lý thông qua hai bit RP1:RP0 của thanh ghi trạng thái (STATUS), kết hợp với 256 byte bộ nhớ dữ liệu không khả biến EEPROM.

PIC 16F887 có 40 chân với 33 chân xuất/nhập phân bố trên 5 cổng (PORTA đến PORTE), được điều khiển hướng xuất/nhập qua các thanh ghi TRIS tương ứng và thiết lập số/tương tự thông qua thanh ghi ANSEL, ANSELH. Hệ thống ngoại vi tích hợp bao gồm: bộ chuyển đổi tương tự - số ADC 10 bit đa hợp 14 kênh (AN0 - AN13) điều khiển bởi thanh ghi ADCON0, ADCON1; 3 bộ định thời/bộ đếm (Timer0 8-bit, Timer1 16-bit, Timer2 8-bit); 2 khối Capture/Compare/PWM (CCP); cùng hệ thống điều khiển ngắt qua 5 thanh ghi: INTCON, PIE1, PIE2, PIR1, PIR2. Bên cạnh đó, tác giả khảo sát các dòng kit phát triển thực tế trên thị trường như họ AVR (Arduino UNO R3, Arduino Mega 2560, BK-AVR128), họ ARM (STM32F4 Discovery, STM32F103VET6), họ MSP430 (MSP430G2 Launchpad, MSP-EXP430FG4618) và Kit PIC V4 để đúc kết yêu cầu thiết kế cho kit The Sun.

Tác giả kết hợp ba phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

• Phương pháp phân tích lý thuyết: Khảo cứu tài liệu kỹ thuật, sơ đồ cấu trúc và tập lệnh của vi điều khiển PIC 16F887; phân tích đặc tính dòng, áp của linh kiện bán dẫn, IC logic và cảm biến.
• Phương pháp quan sát: Khảo sát cấu trúc bố trí linh kiện của các dòng bo mạch phát triển thương mại nhằm tổ chức layout mạch in khoa học, tối ưu đường mạch và thẩm mỹ.
• Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế mạch nguyên lý, gia công mạch in thực tế, hàn lắp linh kiện và đo đạc thông số thực tế để phát hiện sai lệch, từ đó điều chỉnh các giá trị điện trở phân cực và lọc nhiễu.

Nguồn dữ liệu nghiên cứu là các tài liệu kỹ thuật datasheet chính thức của hãng Microchip, giáo trình giảng dạy môn Vi xử lý của bộ môn Tự động điều khiển và sơ đồ phần cứng mạch nạp PICkit 2 phiên bản chỉnh sửa từ cộng đồng mã nguồn mở.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kit phát triển The Sun được thiết kế thành một khối tích hợp gồm vi điều khiển trung tâm PIC 16F887 kết nối với 10 module chức năng độc lập. Mạch nguyên lý và mạch in được thiết kế hoàn toàn trên bộ công cụ phần mềm KiCad (bao gồm Eeschema để lập sơ đồ nguyên lý và Pcbnew để thiết kế layout mạch in). Quá trình biên dịch phần mềm ứng dụng sử dụng công cụ CCS C Compiler, sau đó tệp tin nhị phân (.hex) được nạp trực tiếp vào vi điều khiển thông qua phần mềm PICkit 2 Programmer kết nối mạch nạp ICSP trên bo mạch.

Module	Tên module chức năng	Linh kiện chính	Giao tiếp vi điều khiển	Tính toán kỹ thuật và thông số thiết kế
Module 1	Digital output - LED đơn trực tiếp	8 LED (đỏ, vàng, xanh lá, xanh dương), 8 điện trở 680 $\Omega$	Các chân ngõ ra số	LED hoạt động ở 1,6 V, dòng tối đa 20 mA. Điện trở giới hạn tối thiểu ở nguồn 5 V là 140 $\Omega$. Tác giả chọn trở 680 $\Omega$ để dòng qua LED đạt 20–25% dòng định mức nhằm chống chói và tiết kiệm năng lượng.
Module 2	LED đơn gián tiếp	2 IC ghi dịch 74HC595, 16 LED đơn	Chân dữ liệu nối tiếp, xung chốt và xung dịch	Mở rộng số lượng ngõ ra điều khiển 16 LED thông qua giao tiếp nối tiếp sang song song, tiết kiệm chân I/O của vi điều khiển.
Module 3	Quét 4 LED 7 đoạn	4 LED 7 đoạn Anode chung, 4 Transistor, điện trở hạn dòng 330 $\Omega$	RD0–RD7 (dữ liệu đoạn), RA0–RA3 (quét cực Anode)	Điện trở hạn dòng thanh LED $R = 330\ \Omega$ (sụt áp LED 2,2 V, dòng 10 mA). Transistor có hệ số khuếch đại 80 lần; điện trở kích cực B là 1 $\text{k}\Omega$ ($I_b = 1\text{ mA}$), đáp ứng dòng cực C đạt 80 mA phục vụ dòng tổng 70 mA của 8 đoạn LED.
Module 4	Màn hình LCD	LCD ký tự 16x2 (16 chân kết nối)	Chân điều khiển RS, R/W, E và bus dữ liệu D0–D7	Sử dụng điện trở treo 1 $\text{k}\Omega$ cho chân R/W thay vì 10 $\text{k}\Omega$. Thực nghiệm cho thấy trở 10 $\text{k}\Omega$ làm điện áp ngõ vào LCD tăng lên 1 V do tổng trở vào LCD thấp, trong khi trở 1 $\text{k}\Omega$ duy trì chuẩn mức 0 V.
Module 5	Digital input - Nút nhấn đơn	4 nút nhấn cơ học, 4 điện trở kéo 10 $\text{k}\Omega$	RB0, RB1, RB2, RB3	Trở kéo 10 $\text{k}\Omega$ giữ mức logic ổn định và hạn dòng ngắn mạch xuống 0,5 mA khi nhấn nút; phù hợp với tổng trở vào 10 $\text{M}\Omega$ của cổng PIC 16F887.
Module 6	ADC biến đổi tương tự - số	Cảm biến LM35, quang trở (10 $\text{k}\Omega$ – 2 $\text{M}\Omega$)	RA5 (kênh LM35), RE0 (kênh quang trở)	LM35 đo nhiệt độ; quang trở mắc cầu phân áp với điện trở 10 $\text{k}\Omega$ tạo dải điện áp ngõ ra xấp xỉ 2,5 V đưa vào khối ADC 10 bit.
Module 7	Counter đếm xung ngoại	Cặp LED thu/phát hồng ngoại, IC 74HC14, Transistor Q13	RA4/T0CKI (ngõ vào xung Timer0)	LED phát hồng ngoại nối trở hạn dòng 120 $\Omega$ (dòng dưới 50 mA) tránh quá nhiệt; tín hiệu qua transistor đệm với trở kéo 1 $\text{k}\Omega$ vào cổng đảo Schmitt Trigger 74HC14, phối hợp transistor Q13 và trở kéo 10 $\text{k}\Omega$ ($I_{csat} = 0,05\text{ mA}$) tạo xung vuông.
Module 8	Điều khiển tải công suất	3 Relay cơ học, Transistor C1815, Diode dập xung M7	RC0 (Relay 1), các chân điều khiển Relay 2 và 3	Transistor C1815 phân cực bằng điện trở kích $R_{42} = 4\text{k}7\ \Omega$ ($V_{be} = 1,6\text{ V}$ khi mở hoàn toàn); mắc Diode M7 song song ngược cực cuộn coil relay để triệt tiêu dòng tự cảm khi ngắt nguồn.
Module 9	Điều khiển băm xung PWM	IC công suất cầu H L298, Diode dập xung M7	RC1 (IN1), RE1 (IN2), RC2 (IN3), RE2 (IN4); ENA, ENB	Điều chế độ rộng xung điều khiển tốc độ và hướng quay động cơ; sử dụng cụm diode M7 thu hồi năng lượng phản kháng bảo vệ IC L298 khỏi điện áp cảm ứng ngược.
Module 10	Mạch nạp nạp chương trình	Mạch nạp PICkit 2 thu nhỏ, cổng giao tiếp USB, tụ lọc	Chân ICSP (MCLR, VDD, VSS, RB6/ICSPCLK, RB7/ICSPDAT)	Thiết kế mạch nạp tích hợp trên bo mạch theo chuẩn giao tiếp ICSP, bổ sung tụ lọc nhiễu nhằm duy trì độ ổn định khi truyền mã nhị phân từ máy tính.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 - Tổng quan đề tài

Chương mở đầu phân tích sự khác biệt căn bản giữa bộ vi xử lý (CPU đơn thuần trong hệ thống tính toán lớn) và vi điều khiển (hệ máy tính one-chip tích hợp CPU, RAM, ROM, I/O, bộ đếm, ngắt phục vụ điều khiển chuyên biệt). Tác giả nêu bật lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu cấp thiết về thiết bị thực hành môn Vi xử lý tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Chương này xác định rõ 3 mục tiêu nghiên cứu, phân công nhiệm vụ thiết kế – thi công – viết bài thí nghiệm, xác lập phương pháp nghiên cứu (lý thuyết, quan sát, thực nghiệm) và khẳng định tính thực tiễn của kit phát triển The Sun trong việc hỗ trợ sinh viên vượt qua tỷ lệ rớt môn cao.

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung khảo sát các dòng kit phát triển phổ biến trên thị trường sử dụng chip AVR (Arduino UNO, Mega 2560, BK-AVR128), ARM (STM32F4 Discovery, STM32F103VET6), MSP430 (MSP430G2, MSP-EXP430FG4618) và kit PIC V4, từ đó tổng hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật cần có cho một kit học tập mở. Tiếp theo, chương trình bày chi tiết về vi điều khiển PIC 16F887: tập lệnh 35 lệnh 14-bit, sơ đồ chức năng 40 chân, cấu trúc bộ nhớ chương trình Flash 8 Kword, bộ nhớ dữ liệu SRAM 368 byte chia 4 bank, bộ nhớ EEPROM 256 byte, các cổng I/O cùng thanh ghi điều hướng TRIS và thanh ghi chọn chức năng tương tự ANSEL/ANSELH. Chương cũng tổng hợp các bảng thông số kỹ thuật bao gồm mã bit lựa chọn kênh ADC trên thanh ghi ADCON0, ADCON1 và chức năng từng bit của 5 thanh ghi ngắt (INTCON, PIE1, PIE2, PIR1, PIR2).

Chương 3 - Thiết kế

Chương 3 giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật từ sơ đồ khối tổng thể đến sơ đồ nguyên lý chi tiết của 10 module chức năng trên kit The Sun. Tác giả trình bày tường tận cơ sở chọn lựa linh kiện và các công thức tính toán: xác định điện trở hạn dòng 680 $\Omega$ cho LED đơn; tính toán hệ số khuếch đại dòng 80 lần của transistor kết hợp trở kích 1 $\text{k}\Omega$ và trở hạn dòng 330 $\Omega$ trong mạch quét 4 LED 7 đoạn Anode chung; giải pháp chọn điện trở treo 1 $\text{k}\Omega$ cho LCD 16x2; tính toán mạch phân áp quang trở và cảm biến LM35 cho ADC; mạch cảm biến hồng ngoại đếm sản phẩm với trở hạn dòng phát 120 $\Omega$ và IC đệm 74HC14; tính toán mạch công suất relay đệm transistor C1815 có diode M7 bảo vệ; mạch cầu H L298 điều khiển động cơ DC bằng PWM; cùng sơ đồ nguyên lý mạch nạp PICkit 2 rút gọn.

Chương 4 - Thi công

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình công nghệ chế tạo bo mạch phần cứng và xây dựng tài liệu thực hành. Tác giả trình bày các bước thao tác trên phần mềm KiCad từ vẽ sơ đồ nguyên lý, gán chân linh kiện, tạo netlist, sắp xếp linh kiện trên layout mạch in đến gia công ăn mòn bo mạch, khoan lỗ và hàn linh kiện thực tế. Song song với sản phẩm phần cứng, chương 4 xây dựng chi tiết 11 bài thí nghiệm mẫu theo giáo trình môn học:

• Bài thí nghiệm 1: Làm quen với kit thí nghiệm và các chương trình hỗ trợ.
• Bài thí nghiệm 2: Điều khiển ngõ ra số (Digital output với 8 LED đơn).
• Bài thí nghiệm 3: Đọc tín hiệu ngõ vào số (Digital input với nút nhấn đơn).
• Bài thí nghiệm 4: Dùng chân digital output để điều khiển relay đóng ngắt tải.
• Bài thí nghiệm 5: Dùng chân digital điều khiển IC số mở rộng ngõ ra (74HC595).
• Bài thí nghiệm 6: Điều khiển quét hiển thị 4 LED 7 đoạn.
• Bài thí nghiệm 7: Điều khiển hiển thị ký tự trên màn hình LCD 16x2.
• Bài thí nghiệm 8: Lập trình chuyển đổi tương tự - số ADC (LM35 và quang trở).
• Bài thí nghiệm 9: Điều chế độ rộng xung PWM điều khiển động cơ qua L298.
• Bài thí nghiệm 10: Ứng dụng Timer0 đếm xung ngoại (Counter đếm sản phẩm).
• Bài thí nghiệm 11: Đếm xung nội và xử lý ngắt định thời với Timer.

Chương 5 - Kết quả nghiên cứu

Chương này đánh giá các kết quả thực tế thu được sau quá trình chế tạo và thử nghiệm. Về mặt đạt được, nhóm tác giả đã thi công hoàn chỉnh bo mạch kit The Sun hoạt động ổn định, các module phần cứng đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật và tương thích hoàn toàn với hệ thống 11 bài thí nghiệm mẫu. Về mặt chưa đạt được, tác giả chỉ rõ đề tài mới hoàn thành việc thiết kế các module cơ bản trên bo mạch, các cổng mở rộng giao tiếp không dây nâng cao chưa được triển khai hoàn chỉnh mã nguồn mẫu trên kit.

Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết khẳng định đề tài đã hoàn thành các nhiệm vụ đề ra, tạo ra một sản phẩm học tập trực quan, giá thành rẻ, hỗ trợ hiệu quả cho việc giảng dạy và tự học môn Vi xử lý. Tác giả đề xuất hướng phát triển tiếp theo là mở rộng kết nối kit với các module truyền thông không dây phổ biến như Bluetooth, module Wi-Fi ESP8266 và phát triển khả năng giao tiếp mở rộng với nền tảng vi điều khiển Arduino.

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành việc thiết kế và chế tạo phần cứng kit phát triển The Sun hoàn chỉnh trên một bo mạch in duy nhất. Các thông số điện động học của mạch được tính toán và kiểm chứng chính xác bằng thực nghiệm:

• Xác lập điện trở 680 $\Omega$ cho 8 LED đơn giúp dòng tiêu thụ duy trì ở mức 20–25% dòng định mức (khoảng 4–5 mA) vừa đủ hiển thị rõ trạng thái logic mà không gây chói mắt.
• Xác định giá trị điện trở treo 1 $\text{k}\Omega$ cho màn hình LCD 16x2, khắc phục hiện tượng sụt áp lên mức 1 V khi dùng trở 10 $\text{k}\Omega$ do ảnh hưởng tổng trở vào của LCD.
• Phân cực transistor đóng ngắt dòng tổng 70 mA cho khối quét 4 LED 7 đoạn Anode chung qua điện trở kích 1 $\text{k}\Omega$ và trở hạn dòng 330 $\Omega$.
• Mạch đếm xung ngoại hồng ngoại vận hành ổn định nhờ trở hạn dòng phát 120 $\Omega$ và mạch sửa dạng xung bằng IC 74HC14; mạch công suất relay và cầu H L298 được bảo vệ an toàn bằng cụm diode dập xung M7.
• Hoàn thành bộ tài liệu thực hành gồm 11 bài thí nghiệm mẫu hoàn chỉnh từ cơ bản đến nâng cao, biên dịch bằng CCS C và nạp trực tiếp qua cổng PICkit 2 tích hợp.

Về mặt giải pháp, tác giả đề xuất đưa kit The Sun vào ứng dụng trực tiếp tại các phòng thực hành của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm thay thế các bộ kit nhập ngoại đắt tiền, giúp sinh viên có thể sở hữu thiết bị thực hành cá nhân với chi phí thấp. Đóng góp kỹ thuật của đề tài là việc tích hợp thành công toàn bộ các module ngoại vi thiết yếu trong khung chương trình đào tạo vào một bo mạch duy nhất nhỏ gọn, đồng thời thiết kế sẵn các cổng giao tiếp chờ nhằm tạo cấu trúc mở cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ rõ những hạn chế tồn tại dựa trên kết quả nghiệm thu thực tế:

• Các cổng mở rộng dành cho ứng dụng nâng cao mới dừng lại ở việc thiết kế đường mạch phần cứng chờ, chưa được tích hợp hoàn chỉnh mã nguồn mẫu và chưa thử nghiệm các kết nối truyền thông ngoại vi phức tạp.
• Khả năng tính toán của kit phụ thuộc vào giới hạn phần cứng của chip PIC 16F887 với bộ nhớ Flash 8 Kword và bộ nhớ RAM 368 byte, không phù hợp cho các thuật toán xử lý dữ liệu phức tạp hoặc hệ điều hành thời gian thực.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề ra:

• Nghiên cứu tích hợp các module truyền thông không dây bao gồm module Bluetooth và module Wi-Fi ESP8266 nhằm phát triển các ứng dụng điều khiển qua mạng Internet (IoT).
• Phát triển giao tiếp kết nối đồng bộ giữa kit The Sun với các vi điều khiển họ khác, đặc biệt là nền tảng Arduino.
• Bổ sung các bài thí nghiệm chuyên sâu về mạng truyền thông công nghiệp và thuật toán điều khiển nâng cao.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Cơ điện tử đang theo học môn Vi xử lý, Hệ thống nhúng hoặc chuẩn bị làm đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp.
• Giảng viên phụ trách phòng thí nghiệm vi điều khiển cần tài liệu tham khảo để xây dựng bài giảng thực hành và thiết kế các mô hình dạy học trực quan.
• Người nghiên cứu và người tự học vi điều khiển PIC cần tài liệu hướng dẫn từng bước từ tính toán lý thuyết, thiết kế mạch in PCB bằng phần mềm KiCad đến lập trình điều khiển ngoại vi bằng ngôn ngữ C trên trình biên dịch CCS C.

Các nội dung đáng tham khảo nhất trong tài liệu bao gồm: sơ đồ nguyên lý và công thức tính toán linh kiện chi tiết của 10 module chức năng trong Chương 3 (đặc biệt là mạch dập xung ngược bảo vệ linh kiện cảm ứng và phương pháp phối hợp trở treo LCD); cùng quy trình thiết kế và giáo trình hướng dẫn 11 bài thí nghiệm mẫu trong Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm PIC 16F887 trên kit The Sun có cấu trúc bộ nhớ và tài nguyên phần cứng như thế nào? PIC 16F887 có cấu trúc tập lệnh RISC gồm 35 lệnh độ dài 14 bit, hoạt động ở tần số tối đa 20 MHz (chu kỳ lệnh 200 ns). Bộ nhớ chương trình Flash có dung lượng 8192 words (8 Kword, 14 bit), bộ nhớ dữ liệu SRAM gồm 368 byte chia thành 4 bank (mỗi bank gồm 32 byte thanh ghi chức năng đặc biệt SFR và 96 byte thanh ghi mục đích chung GPR), bộ nhớ EEPROM dung lượng 256 byte và ngăn xếp stack gồm 8 mức 13 bit. Chip có 40 chân với 33 chân I/O phân bố trên 5 cổng từ PORTA đến PORTE.

2. Tại sao trong module điều khiển LCD 16x2, nhóm tác giả lại sử dụng điện trở treo 1 $\text{k}\Omega$ thay vì 10 $\text{k}\Omega$? Qua khảo sát thực nghiệm trong quá trình thiết kế mạch, tổng trở ngõ vào của màn hình LCD nhỏ hơn rất nhiều so với tổng trở vào của vi điều khiển. Khi sử dụng điện trở treo 10 $\text{k}\Omega$, điện áp đo được tại chân R/W bị kéo lên tới mức 1 V, không đạt mức logic 0 chuẩn. Khi thay bằng điện trở 1 $\text{k}\Omega$, điện áp đo được tại chân R/W duy trì ở mức 0 V, đảm bảo việc xác lập mức logic điều khiển chính xác cho LCD.

3. Khối điều khiển tải công suất bằng Relay được thiết kế mạch bảo vệ linh kiện bán dẫn như thế nào? Khối relay sử dụng transistor C1815 để đệm dòng đóng ngắt, phân cực bởi điện trở $R_{42} = 4\text{k}7\ \Omega$ tạo điện áp $V_{be} = 1,6\text{ V}$ khi mở hoàn toàn. Để bảo vệ transistor khỏi hiện tượng đánh thủng khi cuộn coil relay ngắt điện đột ngột sinh ra sức điện động cảm ứng ngược, tác giả mắc song song ngược cực một diode M7 qua hai đầu cuộn dây. Diode M7 sẽ dẫn thông để dòng năng lượng tự cảm khép mạch và triệt tiêu qua điện trở nội của cuộn dây.

4. Kit The Sun hỗ trợ những bài thí nghiệm mẫu nào và sử dụng bộ công cụ phần mềm nào để lập trình, nạp code? Hệ thống đi kèm 11 bài thí nghiệm mẫu bao gồm: làm quen kit, digital output, digital input, điều khiển relay, điều khiển IC 74HC595, quét LED 7 đoạn, giao tiếp LCD, chuyển đổi ADC, phát xung PWM, đếm xung ngoại Counter và định thời Timer/ngắt. Quy trình thiết kế mạch sử dụng phần mềm KiCad; việc soạn thảo, biên dịch chương trình C thực hiện trên CCS C Compiler và mã hex được nạp vào chip bằng phần mềm PICkit 2 Programmer qua mạch nạp ICSP trên bo mạch.

5. Giải pháp mở rộng ngõ ra điều khiển LED đơn gián tiếp được thực hiện thông qua linh kiện và nguyên lý nào? Tác giả sử dụng 2 IC ghi dịch 8-bit 74HC595 mắc nối tiếp để mở rộng ngõ ra điều khiển 16 LED đơn. Vi điều khiển chỉ cần sử dụng các chân xuất dữ liệu nối tiếp, chân xung dịch (shift clock) và chân xung chốt (latch clock) để dịch chuyển chuỗi bit vào các thanh ghi nội của 74HC595 rồi xuất đồng thời ra 16 chân song song, giúp tiết kiệm đáng kể số lượng chân I/O của vi điều khiển.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế kit phát triển The Sun dựa trên vi điều khiển PIC" đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu thông qua việc chế tạo thành công một bo mạch thực hành hoàn chỉnh, nhỏ gọn và chi phí thấp phục vụ đào tạo kỹ thuật. Hệ thống tích hợp vi điều khiển PIC 16F887 với 10 khối ngoại vi cơ bản, được kiểm chứng hoạt động ổn định qua chuỗi 11 bài thí nghiệm mẫu bám sát giáo trình môn học. Sản phẩm đáp ứng giải pháp khắc phục khó khăn về thiết bị thực hành cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, đồng thời cung cấp nền tảng phần cứng mở sẵn sàng cho các hướng nghiên cứu mở rộng kết nối truyền thông không dây tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung Bộ vi xử lý có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính toán, xử lý, và thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiệu quả đối với các bài toán va hệ thống lớn. Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, tầm tính toán không đòi hỏi khả năng 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 khổi mạch điện giao tiếp phức tạp khác nhau. Các khối này bào gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chương 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 được công việc.

Để kết nối các khối này đòi hỏi người thiết kế phải hiểu biết tinh tường về các thành phần vi xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi. Hệ thống được tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in phức tạp và vấn đề chính là trình độ người thiết kế. Kết quả là giá thành sản phẩm cuối cùng cao, không phù hợp để áp dụng cho các hệ thống nhỏ. Vì một số nhược điểm 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 được gọi là Microcontroller – Vi điều khiển.

Một số đặc điểm khác nhau giữa vi xử lý và vi điều khiển:  Phần cứng:  Bộ vi xử lý chính là khối xử lý trunng tâm CPU, nó chỉ là một thành phần trong hệ vi xử lý. Nó cần kết hợp với các thành phần khác của hệ thống để thực thi công việc.  Bộ vi điều khiển là một vi mạch đơn chứa bên trong đầy đủ các thành phần: CPU, ROM, RAM, mạch phối ghép vào/ra, bộ đếm/định thời, mạch điều khiển và ưu tiên ngắt. Hay vi điều khiển là một hệ vi xử lý hoàn chỉnh, một máy tính one-chip.

 Các đặc trứng của tập lệnh:  Bộ vi xử lý: tập lệnh hoạt động trên các đơn vị dữ liệu kiểu byte, word, double word,. Các lệnh thường đa dạng, linh hoạt, kích thước không cố định.  Bộ vi điều khiển: tập lệnh cung cấp các điều khiển xuất nhập, xử lý hướng bit hoặc một vài bit. Các lệnh có kích thước không đổi (hoặc thay đổi ít).

 Ứng dụng:  Vi xử lý: dùng làm CPU trong các hệ thống xử lý dữ liệu với khối lượng lớn, đa năng, tốc độ cao.  Vi điều khiển: dùng trong các thiết kế nhỏ, ít thành phần, tiêu tốn ít công suất, hướng điều khiển.2 Lý do chọn đề tài Hiện nay vi điều khiển rất phổ biến ở Việt Nam. Việc thiết kế những Kit phát triển cho vi điều khiển là vấn đề ngày càng được quan tâm của nhiều nhóm tác giả. Việc nghiên cứu học tập vi xử lý nói chung, các họ vi điều khiển nói riêng trong đó điển hình là họ PIC là rất cần thiết cho sinh viên đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.

Để có thể học tập, nghiên cứu và thiết kế tốt về các họ vi điều khiển cần các thiết bị thí nghiệm thực hành cũng như các công cụ trợ giúp thiết kế vi điều khiển. Trước nhu cầu thực tế trên chúng em tiến hành nghiên cứu và thiết kế Kit phát triển The Sun dựa trên vi điều khiển PIC 16F887 với mục tiêu:  Nhằm phục vụ hiệu quả cho việc giảng dạy ở trường đại học đồng thời giúp cho các bạn sinh viên có cơ hội vừa học vừa thực hành môn học.  Tạo cơ hội khám phá và học hỏi cho sinh viên, giúp sinh viên nắm bắt bài học một cách hiệu quả. Ưu điểm: Kit nhỏ gọn, được tích hợp đầy đủ các module đã được học trên trường, giá thành rẻ, sinh viên có thể nghiên cứu, ứng dụng mọi lúc mọi nơi.3 Mục tiêu nghiên cứu Mục đích trước hết khi thực hiện đề tài này là để hoàn tất chương trình môn học để đủ điều khiện ra trường.

Cụ thể khi nghiên cứu đề tài chúng em muốn phát huy những thành quả ứng dụng của vi điều khiển PIC 16F887 để tạo ra những sản phẩm cho các bạn sinh viên khóa sau. Không những thế nó còn là tài liệu cho các bạn sinh viên tham khảo. Ngoài ra quá trình thực hiện đề tài là một cơ hội để chúng em tự kiểm tra lại những kiến thức đã học ở trường. Đồng thời phát huy tính sáng tạo, khả năng giải quyết một vấn đề theo nhu cầu đặt ra.4 Nhiệm vụ nghiên cứu Trong thời gian thực hiện đề tài nhóm đã đưa ra các nhiệm vụ như sau:  Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch.

 Thi công board: Làm mạch in, hàn linh kiện.  Xây dựng các bài thí nghiệm mẫu:  Các bài thí nghiệm về module LED đơn trực tiếp.  Các bài thí nghiệm về module LED đơn gián tiếp.  Các bài thí nghiệm về module tải công suất.

 Các bài thí nghiệm về module nút nhấn đơn.  Các bài thí nghiệm về module 4 LED 7 đoạn.  Các bài thí nghiệm về module LCD.  Các bài thí nghiệm về module ADC.

Các bài thí nghiệm về xung PWM.  Các bài thí nghiệm về module đếm xung ngoại.5 Phương pháp nghiên cứu Trong đề tài nhóm em lựa chọn các phương pháp nghiên cứu sau:  Phương pháp phân tích lý thuyết: phân tích nguồn tài liệu lý thuyết về vi xử lý PIC 16F887, IC, tụ điện, điện trở,. để phục vụ cho việc thiết kế.  Phương pháp quan sát: Quan sát và khảo sát một số mạch thực tế để phục vụ cho việc sắp xếp các khối linh kiện trên mạch khoa học và thẩm mỹ hơn.

 Phương pháp thực nghiệm: sau khi đã thiết kế được mạch nguyên lý và có sẵn linh kiện thì bắt đầu hàn mạch và thử nghiệm. Trong quá trình thử nghiệm sẽ phát hiện ra lỗi, những phần không cần thiết để khắc phục và có một mạch hoàn thiện hơn.6 Tính cấp thiết của đề tài Như chúng ta đã biết môn học vi xử lý tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật có tỉ lệ sinh viên rớt khá cao, do đó nhu cầu thực hành môn học vi xử lý là vô cùng cao. Ngoài những giờ học lý thuyết trên trường sinh viên cần thực hành ngay để có thể hiểu sâu và rõ hơn về những kiến thức mình vừa được học, chính điều đó mới đảm bảo sinh viên có thể đậu môn học vi xử lý với điểm số cao. Trên nhu cầu thực tế đó sự ra của kit phát triển The Sun là vô cùng cấp thiết.

3 ` CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Một số kit phát triển cho vi điều khiển 2.1 Tại sao có các kit phát triển? Sự ra đời của kit phát triển mang đến một phương thức dễ dàng, ít tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyện nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Ví dụ phổ biến bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp chạy trên các máy tính cá nhân thông thường. Để việc học tập, nghiên cứu, thiết kế ứng dụng vi xử lý nói chung và các họ vi điều khiển nói riêng đạt hiệu quả cần phải có nhiều thiết bị hỗ trợ.

Trong đó kit phát triển là một thiết bị hữu hiệu hỗ trợ rất tốt cho mục đích trên.2 Các kit phát triển phổ biến Dùng cho AVR:  Arduino UNO: Có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328.1 Kit arduino UNO R3 4 `  Arduino Mega 2560: Sử dụng chip ATmega1280.2 Kit arduino mega 2560  AVR BK-AVR128: Sử dụng chip ATmega128A Hình 2.3 Kit AVR BK-AVR128 5 ` Dùng cho ARM:  STM32F4 Discovery: Sử dụng chip STM32F4 Hình 2.4 Kit STM32F4 Discovery  STM32F103VET6: Sử dụng chip STM32F103VET6 Hình 2.5 Kit STM32F103VET6 6 ` Dùng cho MSP430:  MSP430G2 Launchpad: sử dụng chip MSP430G2553 Hình 2.6 Kit MSP430G2 Launchpad  MSP-EXP430FG4618: Sử dụng 2 chip MSP430FG4618 và MSP430F2013 Hình 2.7 Kit MSP-EXP430FG4618 7 ` Dùng cho PIC:  Kit PIC V4: Sử dụng được cho cả 2 dòng 16f và 18f 40 chân Hình 2.3 Yêu cầu thông thường của 1 kit phát triển vi điều khiển Kit phát triển cần được thiết kế gồm 1 khối CPU và nhiều module ứng dụng sử dụng được phần lớn khả năng và tài nguyên của họ vi điều khiển, phải có cấu trúc mở cho phép hỗ trợ mọi người phát triển thêm các thiết kế ứng dụng riêng. Để sử dụng một kit phát triển vi điều khiển, cần phải có các phần mềm hỗ trợ cho việc giao tiếp giữa máy tính và kit phát triển, các phần mềm hỗ trợ việc phát triển ý tưởng lập trình và thiết bị kết nối như dây cáp.2 Sơ lược về vi điều khiển PIC 16F887 2.1 Giới thiệu về PIC PIC là tên viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” do hãng General Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ. Hãng Micro tiếp tục phát triển sản phẩm này và cho đến ngày nay đã tạo ra gần 100 loại sản phẩm khác nhau. PIC 16F887 là một dòng khá phổ biến, đầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hết các ứng dụng thực tế.

Đây là dòng PIC khá dễ cho người mới làm quen với PIC để phục vụ việc học tập và tạo nền tảng cho họ vi điều khiển PIC của mình.2 Cấu trúc phần cứng Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC 16FXXX với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh được thực thi trong một chu trình xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20Mhz với một chu kỳ lệnh là 200ns. Bộ nhớ flash chương trình 8 ` là 8192 words và bộ nhớ dữ liệu là 368 byte SRAM + 256 bytes EEPROM.

Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/0. Đặc tính ngoại vi:  Timer0: bộ nhớ 8 bit với bộ chia trước 8 bit.  Timer1: bộ đếm/ định thời 16 bit gồm 2 thanh ghi 8 bit (TMR1H và TMR1L) – có thể đọc và ghi.  Timer2: bộ đếm 8 bit có bộ chia trước (prescaler) và có bộ chia sau (postscaler).

 Hai bộ Capture/ so sánh/ điều chế độ rộng xung.  Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchrounos Serial Port), ISP 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 ở bên ngoài.

 14 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.  2 bộ so sánh.