Nghiên cứu vi điều khiển chuẩn công nghiệp PIC16F84A và các chương trình ứng dụng

Chuyên khảo phân tích Vi điều khiển chuẩn công nghiệp pic16f84a và các chương trình ứng dụng, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Anh Tú
• Trường học: Viện Đại học Mở Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu vi điều khiển PIC16F84A và ứng dụng trong công nghiệp
• Loại tài liệu: đề tài

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: VI ĐIỀU KHIỂN CHUẨN CÔNG NGHIỆP PIC16F84A
• 1.1. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG

Tóm tắt

I. Tổng quan Vi điều khiển PIC16F84A Ứng dụng công nghiệp

Vi điều khiển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và đời sống. PIC16F84A là một trong những vi điều khiển phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống nhúng và tự động hóa công nghiệp. Sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng vi điều khiển đòi hỏi nguồn nhân lực có kỹ năng lập trình và thiết kế phần cứng. Luận văn này tập trung vào phương pháp nghiên cứu PIC16F84A, nhằm phục vụ quá trình đào tạo module vi điều khiển đạt hiệu quả tốt nhất. Mục tiêu là làm rõ kết cấu phần cứng, trực quan hóa các chương trình ứng dụng, nâng cao tính sáng tạo và nghiên cứu khoa học, giảm thiểu chi phí mua sắm thiết bị. Theo Viện Đại học Mở Hà Nội, PIC16F84A được coi là 'vi điều khiển chuẩn công nghiệp'.

1.1. Lịch sử phát triển và ưu điểm của dòng PIC microcontroller

Các vi điều khiển PIC được sản xuất bởi hãng Microchip, là một họ vi điều khiển RICS (Reduced Instructions Set Computer). Dòng PIC đầu tiên là PIC1650, PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của 'Programmable Intelligent Computer'. General Instruments bán bộ phận vi điện tử của họ vào năm 1985, và chủ sở hữu mới hủy bỏ hầu hết các dự án lúc đó đã quá lỗi thời. Tuy nhiên PIC được bổ sung EEPROM để tạo thành 1 bộ điều khiển vào ra khả trình. Hiện nay có rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng. PIC cho phép chạy với các loại chương trình nhỏ hiệu quả hơn các chương trình lớn. Giá thành của PIC rẻ hơn so với các dòng Chíp khác và tốc độ xung Clock của nó lại cao hơn.

1.2. Kiến trúc Harvard và tập lệnh rút gọn RISC của PIC16F84A

PIC16F84A có kiến trúc Harvard, sử dụng 14bit cho các lệnh và tập lệnh của nó hầu hết chỉ có một từ (Word). Với kiến trúc RISC, các CPU thường sử dụng cấu trúc HARVARD. BUS chương trình và BUS Data phân chia tách biệt nhau. Lập trình PIC chỉ dựa trên tập lệnh bao gồm khoảng 35 lệnh và 77 lệnh với dòng PIC high – end nên người học dễ dàng tiếp cận với họ vi điều khiển PIC. Khác với họ 8051 của INTEL, họ PIC được thiết kế với tập lệnh rút gọn và được gọi là RISC, viết tắt của cụm từ: Reduced Instruction Set Computer (Tập lệnh rút gọn).

II. Hướng dẫn lập trình PIC16F84A cơ bản cho người mới bắt đầu

Lập trình PIC16F84A khá đơn giản nhờ tập lệnh rút gọn. Người dùng có thể sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình, bao gồm ngôn ngữ Assembly PIC và ngôn ngữ C PIC. Các công cụ phát triển phổ biến bao gồm MPLAB IDE và trình biên dịch Keil C. Quá trình mô phỏng PIC16F84A có thể được thực hiện bằng các phần mềm như Proteus simulation. Việc nắm vững cú pháp và các hàm cơ bản là điều cần thiết để xây dựng các ứng dụng điều khiển đơn giản. Tài liệu và giáo trình PIC16F84A có sẵn trực tuyến sẽ hỗ trợ người mới bắt đầu học tập và thực hành.

2.1. Các bước chuẩn bị môi trường lập trình và phần cứng cho PIC16F84A

Để bắt đầu lập trình PIC16F84A, cần cài đặt MPLAB IDE và một trình biên dịch C (ví dụ: Keil C hoặc CCS C). Chuẩn bị phần cứng bao gồm board mạch PIC16F84A, mạch nạp chương trình (programmer) và các linh kiện điện tử cơ bản. Kết nối mạch nạp với board mạch PIC và máy tính. Cấu hình MPLAB IDE để nhận diện mạch nạp và chọn đúng loại vi điều khiển. Tìm hiểu và làm theo các PIC tutorials để hiểu rõ quy trình.

2.2. Viết và biên dịch chương trình đầu tiên Blink LED với PIC16F84A

Mở MPLAB IDE và tạo một project mới cho PIC16F84A. Viết code để cấu hình một chân I/O làm output và điều khiển một đèn LED nhấp nháy. Sử dụng ngôn ngữ C PIC hoặc Assembly để viết chương trình. Biên dịch chương trình bằng trình biên dịch đã chọn. Kiểm tra lỗi và sửa chữa nếu có. Tạo file hex để nạp vào vi điều khiển. Code ví dụ thường bao gồm các câu lệnh điều khiển PORTB và khai báo tần số hoạt động.

2.3. Nạp chương trình vào PIC16F84A và kiểm tra hoạt động thực tế

Sử dụng mạch nạp chương trình để nạp file hex vào PIC16F84A. Đảm bảo mạch nạp được kết nối đúng cách với board mạch. Cấp nguồn cho board mạch và quan sát đèn LED. Nếu chương trình hoạt động đúng, đèn LED sẽ nhấp nháy theo chu kỳ đã lập trình. Sử dụng các công cụ debug trong MPLAB IDE để kiểm tra và sửa lỗi chương trình nếu cần thiết. Kiểm tra datasheet PIC16F84A để biết thêm chi tiết.

III. Bí quyết thiết kế mạch điện tử ứng dụng PIC16F84A hiệu quả

Thiết kế mạch điện tử với PIC16F84A đòi hỏi kiến thức về điện tử cơ bản, sơ đồ mạch và các linh kiện liên quan. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp, tính toán giá trị điện trở và tụ điện, bố trí mạch in (PCB) khoa học là rất quan trọng. Sử dụng các phần mềm thiết kế mạch điện tử như Altium Designer hoặc Eagle sẽ giúp đơn giản hóa quá trình. Tham khảo các sơ đồ mạch PIC16F84A có sẵn trên mạng và điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu ứng dụng cụ thể.

3.1. Tìm hiểu sơ đồ chân pinout và chức năng các chân của PIC16F84A

Hiểu rõ sơ đồ chân PIC16F84A là bước đầu tiên trong thiết kế mạch điện tử. Xác định các chân cấp nguồn (VCC, GND), các chân I/O (PORTA, PORTB), chân xung clock (OSC1, OSC2), chân reset (MCLR). Xem datasheet để biết chi tiết về dòng điện, điện áp và các thông số kỹ thuật của từng chân. Chú ý đến các chân có chức năng đặc biệt như ngắt ngoài (INT) hoặc chân timer.

3.2. Lựa chọn linh kiện và tính toán giá trị điện trở tụ điện phù hợp

Chọn linh kiện dựa trên yêu cầu của ứng dụng và thông số kỹ thuật của PIC16F84A. Tính toán giá trị điện trở hạn dòng cho LED, điện trở kéo lên (pull-up) cho các chân input, tụ điện lọc nguồn. Sử dụng công thức Ohm và các công thức tính toán điện dung để xác định giá trị phù hợp. Tham khảo các ví dụ thiết kế mạch điện tử với PIC16F84A để có thêm kinh nghiệm.

3.3. Bố trí mạch in PCB khoa học để giảm nhiễu và tăng độ ổn định

Sử dụng các phần mềm thiết kế mạch điện tử để tạo mạch in. Bố trí các linh kiện gần nhau để giảm chiều dài đường dẫn. Sử dụng lớp ground plane để giảm nhiễu. Đi dây nguồn và ground riêng biệt. Chú ý đến khoảng cách giữa các đường dẫn điện áp cao và điện áp thấp. Sử dụng via để kết nối các lớp mạch in khác nhau.

IV. Top Ứng dụng Vi điều khiển PIC16F84A trong tự động hóa công nghiệp

PIC16F84A được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp nhờ tính đơn giản, ổn định và giá thành hợp lý. Các ứng dụng phổ biến bao gồm điều khiển động cơ, điều khiển nhiệt độ, điều khiển đèn chiếu sáng, hệ thống giám sát và điều khiển từ xa. Việc ứng dụng vi điều khiển này giúp tăng năng suất, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống công nghiệp.

4.1. Điều khiển động cơ DC và động cơ bước trong hệ thống tự động

PIC16F84A có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ và hướng quay của động cơ DC thông qua mạch điều khiển PWM. Điều khiển động cơ bước để định vị chính xác trong các ứng dụng robot và máy CNC. Sử dụng các IC driver động cơ để tăng dòng điện và điện áp điều khiển.

4.2. Điều khiển nhiệt độ chính xác trong các lò nung và hệ thống sưởi

Sử dụng cảm biến nhiệt độ (ví dụ: LM35) để đo nhiệt độ và truyền tín hiệu về PIC16F84A. Lập trình PIC để điều khiển relay đóng/ngắt nguồn điện cho lò nung hoặc hệ thống sưởi. Sử dụng thuật toán PID để điều khiển nhiệt độ chính xác.

4.3. Giám sát và điều khiển từ xa thông qua mạng IoT

Kết nối PIC16F84A với module WiFi hoặc Bluetooth để truyền dữ liệu lên đám mây. Phát triển ứng dụng web hoặc mobile để giám sát và điều khiển các thiết bị từ xa. Sử dụng giao thức MQTT hoặc HTTP để truyền dữ liệu.

V. Hướng dẫn mô phỏng PIC16F84A bằng Proteus cho người mới

Mô phỏng là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế và phát triển các ứng dụng vi điều khiển. Proteus simulation là một công cụ mạnh mẽ cho phép mô phỏng các mạch điện tử chứa PIC16F84A một cách trực quan và chính xác. Người dùng có thể kiểm tra hoạt động của mạch, debug chương trình và tối ưu thiết kế trước khi triển khai trên phần cứng thực tế.

5.1. Tạo project mới và thêm PIC16F84A vào sơ đồ mạch trong Proteus

Khởi động Proteus và tạo một project mới. Tìm và thêm PIC16F84A vào sơ đồ mạch. Thêm các linh kiện điện tử khác như điện trở, tụ điện, LED, nút nhấn... Kết nối các linh kiện theo sơ đồ mạch đã thiết kế.

5.2. Nạp file hex và chạy mô phỏng để kiểm tra hoạt động của mạch

Nhấn đúp vào PIC16F84A để mở cửa sổ Properties. Chọn file hex đã biên dịch từ MPLAB IDE. Chạy mô phỏng và quan sát hoạt động của mạch. Sử dụng các công cụ debug trong Proteus để kiểm tra giá trị các biến, tín hiệu và tìm lỗi.

5.3. Gỡ lỗi và tối ưu thiết kế mạch thông qua mô phỏng

Sử dụng các công cụ debug trong Proteus để tìm và sửa lỗi trong chương trình. Thay đổi giá trị các linh kiện để tối ưu hiệu suất của mạch. Kiểm tra các thông số như dòng điện, điện áp và thời gian đáp ứng.

VI. Tài liệu và nguồn học tập lập trình PIC16F84A hiệu quả nhất

Để nắm vững kiến thức và kỹ năng lập trình PIC16F84A, cần có nguồn tài liệu và học tập chất lượng. Có rất nhiều giáo trình PIC16F84A, tài liệu PIC16F84A, diễn đàn trực tuyến và cộng đồng người dùng sẵn sàng chia sẻ kinh nghiệm. Việc tham gia các khóa học, đọc sách và thực hành thường xuyên sẽ giúp nâng cao trình độ.

6.1. Các trang web và diễn đàn cung cấp tài liệu code mẫu PIC16F84A

Tìm kiếm tài liệu trên các trang web như Microchip, All About Circuits, Electronics Tutorials. Tham gia các diễn đàn như Diễn Đàn Điện Tử Việt Nam, Arduino.vn, Electrical Engineering Stack Exchange để trao đổi kinh nghiệm và học hỏi từ người khác. Tải code mẫu từ các trang web như GitHub và SourceForge.

6.2. Sách và giáo trình lập trình PIC16F84A cho người mới bắt đầu

Đọc các sách về vi điều khiển PIC như 'PIC Microcontroller Projects in C' của Dogan Ibrahim, 'Programming 8-bit PIC Microcontrollers in C' của Martin Bates. Tham khảo các giáo trình PIC16F84A từ các trường đại học và cao đẳng.

6.3. Các khóa học online và offline về lập trình PIC microcontroller

Tham gia các khóa học online trên Udemy, Coursera, edX. Tìm các khóa học offline tại các trung tâm đào tạo điện tử và tin học. Tham gia các buổi workshop và seminar về vi điều khiển PIC.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, vi điều khiển đóng vai trò then chốt trong tự động hóa và điều khiển thiết bị. Theo ước tính, hơn 70% các thiết bị công nghiệp hiện nay sử dụng vi điều khiển để nâng cao hiệu suất và độ chính xác. Đề tài nghiên cứu về vi điều khiển chuẩn công nghiệp PIC16F84A và các chương trình ứng dụng nhằm mục tiêu phát triển một phương pháp đào tạo hiệu quả cho sinh viên ngành Điện tử công nghiệp, Cơ điện tử và Điện công nghiệp tại trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội. Nghiên cứu tập trung làm rõ kết cấu phần cứng của các mô-đun ứng dụng, trực quan hóa chương trình thông qua mô hình thí nghiệm, giúp sinh viên vận hành thiết bị thực tế và nâng cao khả năng sáng tạo, nghiên cứu khoa học cho giáo viên dạy nghề. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích kiến trúc, bộ nhớ, lập trình và ứng dụng của vi điều khiển PIC16F84A trong các mô hình thực hành tại Việt Nam. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu chi phí thiết bị đào tạo, đồng thời nâng cao chất lượng đào tạo nghề, đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp và tự động hóa trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: kiến trúc vi điều khiển RISC (Reduced Instruction Set Computer) và mô hình kiến trúc Harvard. PIC16F84A thuộc họ vi điều khiển PIC, sử dụng kiến trúc RISC với tập lệnh rút gọn gồm khoảng 35 lệnh, giúp đơn giản hóa việc học và lập trình. Kiến trúc Harvard phân tách bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu thành hai không gian riêng biệt, cho phép truy xuất song song, nâng cao hiệu suất xử lý. Ba khái niệm trọng tâm bao gồm: bộ nhớ Flash ROM (1024 word, 14 bit), bộ nhớ RAM (64 byte), và bộ nhớ EEPROM (64 byte, ghi/xóa đến 10^4 lần). Ngoài ra, các thanh ghi đặc biệt như STATUS, OPTION_REG, PORTA, PORTB và các chân I/O được nghiên cứu chi tiết để hiểu rõ cách thức điều khiển và giao tiếp với thiết bị ngoại vi.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích mô tả kết hợp thực nghiệm. Nguồn dữ liệu chính là tài liệu kỹ thuật, datasheet của PIC16F84A, các chương trình mẫu viết bằng ngôn ngữ Assembly và C, cùng các mô hình thí nghiệm thực tế tại trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các mô-đun vi điều khiển và các bài tập lập trình ứng dụng. Phương pháp phân tích bao gồm phân tích cấu trúc phần cứng, bộ nhớ, lập trình hợp ngữ và C, đồng thời mô phỏng và kiểm tra các chương trình ứng dụng trên phần mềm MPLAB IDE. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ khảo sát tài liệu, thiết kế chương trình, thực nghiệm đến đánh giá hiệu quả đào tạo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kiến trúc và bộ nhớ của PIC16F84A: PIC16F84A có kiến trúc Harvard với bộ nhớ chương trình Flash ROM dung lượng 1024 word (14 bit), bộ nhớ RAM 64 byte và EEPROM 64 byte. Bộ nhớ EEPROM cho phép ghi/xóa đến 10^4 lần, phù hợp cho các ứng dụng cần lưu trữ dữ liệu tạm thời. Tốc độ xử lý đạt 20 MHz, tương đương thời gian thực thi lệnh khoảng 200 ns.

2. Khả năng lập trình và điều khiển: Với tập lệnh rút gọn chỉ khoảng 35 lệnh, PIC16F84A dễ học và dễ nhớ, giúp sinh viên nhanh chóng làm quen. Các chân I/O có dòng điện tối đa 25 mA, đủ để điều khiển trực tiếp LED và các thiết bị ngoại vi nhỏ. Các thanh ghi như STATUS, OPTION_REG hỗ trợ điều khiển ngắt, timer và cấu hình bộ chia tần số.

3. Ứng dụng thực tế trong đào tạo: Các chương trình điều khiển LED đơn, LED 7 thanh, LED ma trận, động cơ một chiều, động cơ bước và phím nhấn đơn đã được triển khai thành công trên mô hình thực hành. Ví dụ, chương trình điều khiển LED 7 thanh sử dụng timer nội bộ với tần số xung clock 11.0592 MHz, cho phép hiển thị số đếm từ 0 đến 9999 với độ trễ 5 ms mỗi bước quét.

4. Hiệu quả đào tạo và tiết kiệm chi phí: Việc sử dụng PIC16F84A trong đào tạo giúp giảm chi phí mua sắm thiết bị do tính đa dạng và giá thành thấp của vi điều khiển. Đồng thời, sinh viên có thể thực hành trực tiếp trên các mô hình thực tế, nâng cao kỹ năng vận hành và lập trình, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo nghề.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ thiết kế kiến trúc RISC và Harvard của PIC16F84A, giúp tối ưu hóa tốc độ xử lý và khả năng truy xuất bộ nhớ. So với các dòng vi điều khiển khác như 8051 (CISC, tập lệnh phức tạp hơn 100 lệnh), PIC16F84A có lợi thế về tốc độ và đơn giản trong lập trình. Kết quả này phù hợp với báo cáo của ngành về việc lựa chọn PIC trong các kỳ thi tay nghề quốc gia và ASEAN. Việc áp dụng các chương trình điều khiển đa dạng trên PIC16F84A minh chứng cho tính linh hoạt và ứng dụng rộng rãi của dòng vi điều khiển này trong công nghiệp và đào tạo. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tốc độ xử lý, bảng phân bố bộ nhớ và sơ đồ chân I/O để minh họa rõ ràng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường đào tạo thực hành với mô-đun PIC16F84A: Đề nghị các cơ sở đào tạo nghề tích hợp thêm các mô-đun thí nghiệm sử dụng PIC16F84A trong chương trình học, nhằm nâng cao kỹ năng thực hành cho sinh viên. Thời gian thực hiện trong 1 học kỳ, chủ thể là giảng viên và phòng thí nghiệm.

2. Phát triển tài liệu hướng dẫn lập trình chi tiết: Soạn thảo tài liệu hướng dẫn lập trình hợp ngữ và C cho PIC16F84A, bao gồm các ví dụ ứng dụng thực tế, giúp sinh viên dễ tiếp cận và tự học. Thời gian hoàn thành trong 6 tháng, do bộ môn Điện tử công nghiệp chủ trì.

3. Ứng dụng phần mềm mô phỏng MPLAB trong giảng dạy: Khuyến khích sử dụng phần mềm MPLAB IDE để mô phỏng và kiểm tra chương trình trước khi thực hành trên thiết bị thật, giúp tiết kiệm chi phí và tăng hiệu quả học tập. Thời gian áp dụng ngay trong năm học tiếp theo.

4. Tổ chức các cuộc thi lập trình vi điều khiển: Tạo sân chơi cho sinh viên thông qua các cuộc thi lập trình vi điều khiển PIC16F84A, thúc đẩy sáng tạo và nghiên cứu khoa học. Chủ thể là nhà trường phối hợp với các tổ chức nghề nghiệp, tổ chức hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Giảng viên đào tạo nghề ngành Điện tử công nghiệp: Nâng cao kiến thức chuyên môn và phương pháp giảng dạy thực hành vi điều khiển PIC16F84A, áp dụng vào chương trình đào tạo.

2. Sinh viên ngành Điện tử, Cơ điện tử, Điện công nghiệp: Học tập và thực hành lập trình, điều khiển thiết bị công nghiệp sử dụng vi điều khiển PIC16F84A, chuẩn bị kỹ năng nghề nghiệp.

3. Kỹ sư tự động hóa và lập trình nhúng: Tham khảo kiến thức về kiến trúc, bộ nhớ và lập trình vi điều khiển PIC16F84A để phát triển các ứng dụng công nghiệp.

4. Nhà quản lý đào tạo và phát triển chương trình học nghề: Xây dựng và cải tiến chương trình đào tạo phù hợp với xu hướng công nghiệp 4.0, tối ưu hóa chi phí và hiệu quả đào tạo.

Câu hỏi thường gặp

1. PIC16F84A có ưu điểm gì so với các vi điều khiển khác?
   PIC16F84A có kiến trúc RISC với tập lệnh rút gọn, dễ học, tốc độ xử lý cao (20 MHz), bộ nhớ Flash cho phép ghi/xóa nhiều lần, và giá thành thấp, phù hợp cho đào tạo và ứng dụng công nghiệp.

2. Làm thế nào để tạo hàm trễ thời gian trên PIC16F84A?
   Có thể tạo hàm trễ bằng cách sử dụng lệnh NOP cho trễ ngắn (<10µs), hoặc dùng vòng lặp tăng/giảm thanh ghi cho trễ trung bình (~1ms), và lồng nhiều lần hàm trễ nhỏ để tạo trễ dài (>1ms).

3. Phần mềm nào hỗ trợ lập trình và mô phỏng PIC16F84A?
   Phần mềm MPLAB IDE do Microchip phát triển hỗ trợ viết, biên dịch, và mô phỏng chương trình cho PIC16F84A, giúp kiểm tra và tối ưu mã trước khi nạp vào vi điều khiển.

4. Các chân I/O của PIC16F84A có thể chịu dòng điện tối đa bao nhiêu?
   Mỗi chân I/O có thể chịu dòng điện tối đa khoảng 25 mA, đủ để điều khiển trực tiếp LED và các thiết bị ngoại vi nhỏ mà không cần linh kiện bổ trợ.

5. Ứng dụng thực tế của PIC16F84A trong công nghiệp là gì?
   PIC16F84A được sử dụng trong điều khiển đèn giao thông, động cơ một chiều, động cơ bước, hiển thị LED 7 thanh, LED ma trận, và các thiết bị tự động hóa khác, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong sản xuất.

Kết luận

• PIC16F84A là vi điều khiển chuẩn công nghiệp với kiến trúc RISC và Harvard, dễ học, tốc độ xử lý nhanh, phù hợp cho đào tạo và ứng dụng thực tế.
• Bộ nhớ Flash ROM 1024 word, RAM 64 byte và EEPROM 64 byte đáp ứng đa dạng yêu cầu lưu trữ và điều khiển.
• Các chương trình ứng dụng như điều khiển LED, động cơ, phím nhấn đã được triển khai thành công, minh chứng tính linh hoạt của PIC16F84A.
• Việc áp dụng PIC16F84A trong đào tạo giúp nâng cao kỹ năng thực hành, giảm chi phí thiết bị và thúc đẩy nghiên cứu khoa học.
• Đề xuất phát triển tài liệu, tăng cường thực hành và tổ chức cuộc thi lập trình nhằm nâng cao hiệu quả đào tạo nghề trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đào tạo thực hành và phát triển tài liệu hướng dẫn chi tiết, đồng thời khuyến khích sinh viên và giảng viên tham gia nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển PIC16F84A trong các dự án thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: VI ĐIỀU KHIỂN CHUẨN CÔNG NGHIỆP PIC16F84A. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG. Tổng quan - PIC16F84A có kiến trúc RISC. - PIC16F84A chỉ có 35 lệnh nên dễ học và dễ nhớ.

- Hầu hết các lệnh chỉ thực thi trong một chu kỳ lệnh (chỉ có một số lệnh phải cần hai chu kỳ ñể thực thi). - Tốc ñộ hoạt ñộng của PIC16F84A: Nguồn xung nhịp hoạt ñộng lên ñến 20Mhz, tại giá trị xung nhịp này thì thời gian thực thi lệnh mất khoảng 200ns. - Bộ nhớ chương trình của PIC16F84A là 1024word (14bit). - Bộ nhớ dữ liệu RAM của PIC16F84A là 64byte (8bit).

- Bộ nhớ dữ liệu EEPROM của PIC16F84A là 64byte (8bit), có thể ghi/xóa lên ñến 1013 lần. - Tất cả các byte dữ liệu ñều có ñộ dài 8bit. - PIC16F84A có bộ nhớ chương trình dạng Flash, có thể ghi/xóa lên ñến 10. - PIC16F84A có bộ Wacthdog time hoạt ñộng với một nguồn dao ñộng RC ñộc lập ñược tích hợp bên trong PIC.

- PIC16F84A có hỗ trợ chế ñộ Sleep nhằm tiết kiệm năng lượng khi ngừng hoạt ñộng trong thời gian dài. - Ta có thể chọn nhiều kiểu dao ñộng (OSC) cho PIC16F84A. Học viên: Nguyễn Anh Tú. 6 Viện Đại học Mở Hà Nội.

Khoa Đào tạo sau ñại học. Đề tài: Vi ñiều khiển chuẩn công nghiệp PIC16F84A và các chương trình ứng dụng.1: Sơ ñồ chân của PIC16F84A. - PIC16F84A có tất cả 13 ñường nhập/xuất (13 chân I/O) song công và có thể hoạt ñộng ñộc lập nhau; - Mỗi chân nhập/xuất của PIC16F84A có thể ñiều khiển trực tiếp các LED với dòng ñiện lớn, trong ñó:  Dòng vào khoảng 25mA (Max) trên mỗi chân.  Dòng ra khoảng 25mA (Max) trên mỗi chân.

- PIC16F84A có một bộ Time gọi là TIME0 8bit, kèm theo một bộ chia cho phép chúng ta lập trình ñược. - Các chân của Port A: PORTA có 5 chân, kí hiệu là RA0, RA1, RA2, RA3, RA4. Ngõ vào (Input) tất cả các chân của PORTA có mức tích cực theo chuẩn TTL và ngõ xuất (Output) ñược ñiều khiển bởi các FET – CMOS. Khi làm việc với PORTA ta cần ñặc biệt chú ý ñến chân RA4 vì chân RA4 có cấu trúc ñặc biệt.

Là cổng ra ñược thiết kế duy nhất một FET kênh N và một mạch Schmitt Trigger làm bộ ñệm cho Học viên: Nguyễn Anh Tú. 7 Viện Đại học Mở Hà Nội. Khoa Đào tạo sau ñại học. Đề tài: Vi ñiều khiển chuẩn công nghiệp PIC16F84A và các chương trình ứng dụng.

Có thể hiểu một cách khái quát là chân RA4 có cực máng hở khi xuất dữ liệu, do ñó khi giao tiếp với RA4 cần phải mắc thêm một ñiện trở nối với dương nguồn. Ngoài ra chân RA4 còn có chức năng nhận nguồn từ bên ngoài cho bộ TIMER ở chế ñộ COUNTER. - Các chân của PortB: PORTB có tất cả 8 chân, từ RB0 (chân 6) ñến RB7 (chân13) hoạt ñộng cả hai chế ñộ là nhập và xuất dữ liệu. Các chân RB0, RB1, RB2, RB3 không dùng các FET – CMOS cho mạch ñiện ngõ ra như ở PORTA, thay vào ñó nó dùng các cổng logic.

Trong chế ñộ nhập dữ liệu (input) PORTB có một mạch ñiều khiển ñiện trở nối với dương nguồn gọi là PULL – UP, giá trị ñiện trở này rất lớn (khoảng 47KΩ) nên còn gọi là WEAK PULL UP RESISTAL (việc ñiều khiển PULL - UP sẽ ñược tiến hành thông qua việc tác ñộng trên thanh ghi OPTION_REG). Vì các chân của PORTB có nhiều chức năng khác nhau do vậy ñể dễ nhớ chúng ta chia nó làm 3 thành phần như sau:  Chân RB0 có hai chức năng là:  Nhập – xuất dữ liệu. Nó ñược kết nối với mạch ñiện bên trong PIC16F84A thông qua bộ ñệm SCHMITT TRIGGER nên chân này ñược ký hiệu là RB0/INT.  Các chân RB1, RB2, RB3: Làm nhiện vụ nhập – xuất dữ liệu.

 Các chân RB4, RB5, RB6, RB7 :Ngoài chức năng nhập – xuất dữ liệu, chúng còn là các chân nhận dạng tín hiệu ngõ vào (khi tín hiệu trên các chân này thay ñổi lập tức sẽ phát sinh ra một ngắt). Để sử dụng ñược chức năng này chúng ta cần lập trình trên thanh ghi INTCON. Chân 4 của PIC16F84A là chân Reset, trên hình vẽ ký hiệu là MCLR. Chân Reset có nhiệm vụ bắt vi ñiều khiển khởi ñộng lại chương trình từ ñầu khi chân này ñược tác ñộng một mức tích cực là mức thấp.

Khi có mức thấp tác ñộng vào chân này thì ngay lập tức mọi công việc hiện tại của PIC sẽ kết thúc và Học viên: Nguyễn Anh Tú. 8 Viện Đại học Mở Hà Nội. Khoa Đào tạo sau ñại học. Đề tài: Vi ñiều khiển chuẩn công nghiệp PIC16F84A và các chương trình ứng dụng.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------- tiến hành hoạt ñộng lại từ ñầu (quá trình này xảy ra tương tự như khi thao tác bật nguồn. Khi bật nguồn, ñiện áp dương VDD cấp cho PIC ñạt khoảng từ 1.7v là thời ñiểm PIC nhận dạng và một tín hiệu Reset ñược thi hành, ta gọi ñó là POWER ON RESET). Tín hiệu Reset ñược PIC nhận dạng thông qua sự thay ñổi ñiện áp VDD rơi trên chân 4 (MCLR). Để làm ñược việc này bên trong PIC có mạch nhận dạng Power on Reset (POR), tuy nhiên yêu cầu ñặt ra là sự thay ñổi ñiện áp VDD phải nhanh hơn khoảng 50ms.

Nếu ñiện áp VDD thay ñổi chậm hơn 50ms thì khi ñó cần có mạch Reset bên ngoài ñược thiết kế như hình dưới ñây: VDD 1N4148 R2 D 10KΩ R1 4 MCLR 100Ω ÷ 470Ω 0.2: Sơ ñồ mạch reset của PIC16F84A. Nguyên lý hoạt ñộng của mạch ñiện trên ñược mô tả như sau: Khi lần ñầu tiên ñiện áp ñược cấp, tụ C sẽ ñược nạp ñiện thông qua R2. Như vậy ta có mạch ñiện trễ (Delay) R2 - C, ñiện áp rơi trên chân 4 sẽ tạo lên tín hiệu Reset cho PIC. Nói cách khác, ñiện áp chân 4 sẽ ñược giữ ở mức thấp trong khoảng thời gian lâu hơn, thời gian ñó nhằm mục ñích ñể cho nguồn cung cấp ñạt ñược sự ổn ñịnh.

Bởi khi khởi ñộng một hệ thống là thời ñiểm hệ thống tiêu thụ một dòng ñiện khá lớn, khi ñó ñiện áp sẽ bị mất ổn ñịnh nên trong khoảng thời gian này chúng ta cần giữ cho ñiện áp chân 4 của PIC ở mức thấp lâu hơn. Đây chính là lý do cần phải sử dụng mạch Reset trên. Diode D có tác dụng bảo vệ chân 4 khi ngắt nguồn, khi ñó D làm nhiệm vụ tạo ra ñường dẫn ñể tụ C phóng ñiện. Học viên: Nguyễn Anh Tú.

9 Viện Đại học Mở Hà Nội. Khoa Đào tạo sau ñại học. Đề tài: Vi ñiều khiển chuẩn công nghiệp PIC16F84A và các chương trình ứng dụng. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - Các chân OSC1 và OSC2.

Chân 15 và Chân 16 là các chân xung nhịp, trong ñó:  Chân 15: OSC2/CLKOUT.  Chân 16: OSC1/CLKIN. Vi ñiều khiển PIC thực thi chương trình ở một tốc ñộ nhất ñịnh, tốc ñộ này ñược xác ñịnh thông qua tần số của bộ dao ñộng. Bộ tạo dao ñộng của PIC có thể là một mạch dao ñộng RC hay bộ dao ñộng dùng tinh thể thạch anh.

Bộ dao ñộng sẽ hoạt ñộng ngay sau khi cấp nguồn cho PIC. PIC16F84A có thể hoạt ñộng với 4 kiểu dao ñộng khác nhau là:  LP : Low Power Crytal (Thạch anh nguồn thấp).  XT : Crytal/Resonator (Thạch anh/Bộ cộng hưởng).  HS : Hight Speed Crytal/Resonator (Thạch anh tốc ñộ cao/Bộ cộng hưởng).

 RC : Resistor/Capacitor (Điện trở/tụ ñiện). Việc cho PIC hoạt ñộng với kiểu dao ñộng nào là tùy thuộc vào chúng ta thông qua 2 bit FOSC1 và FOSC2 trong Word Config của bộ nhớ chương trình. Việc này cũng có thể ñược làm trong lúc nạp file chương trình cho PIC. Thông thường ta chọn kiểu dao ñộng cho PIC là kiểu XT (Dùng thạch anh 4MHz) và loại RC.

- Các chân cấp nguồn.  Chân 5 là chân nối Mass, trên hình vẽ ký hiệu là VSS.  Chân 14 là chân nhận nguồn ñiện áp dương, trên hình vẽ kí hiệu là VDD. PIC16F84A hoạt ñộng với dải ñiện áp thấp (từ 2v ñến 5v), tiêu thụ dòng rất nhỏ (khoảng dưới 2mA với ñiện áp 5v).

Có thể nói PIC16F84 khá tiết kiệm năng lượng, thích hợp ứng dụng trong công nghiệp. Phân bố bộ nhớ trên PIC 16F84A. Phân bố bộ nhớ ROM và RAM: PIC16F84A có kiến trúc Harvard nên có hai khối bộ nhớ ñược truy xuất bởi 2 BUS riêng biệt nhau, ñó là:  Bộ nhớ dữ liệu. Học viên: Nguyễn Anh Tú.

10 Viện Đại học Mở Hà Nội. Khoa Đào tạo sau ñại học. Đề tài: Vi ñiều khiển chuẩn công nghiệp PIC16F84A và các chương trình ứng dụng. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------  Bộ nhớ chương trình.

Trong ñó, bộ nhớ EEPROM và các thanh ghi có chức năng ñặc biệt thuộc về bộ nhớ dữ liệu. Bộ nhớ FLASH ROM thuộc về bộ nhớ chương trình. Sơ ñồ mô tả các khối bộ nhớ ñược mô tả như sau: Hình 1.3: Sơ ñồ khối bộ nhớ của PIC16F84A. Bộ nhớ chương trình của PIC.

Bộ nhớ chương trình của PIC16F84A ñược chế tạo bằng công nghệ FLASH do ñó mà nó cho phép chúng ta Ghi – Xóa ñược với khoảng 10. Bộ nhớ chương trình của PIC16F84A có dung lượng 1024 ô nhớ, mỗi ô nhớ có ñộ dài 14bit thường gọi là 1 từ (1Word), vì vậy PIC16F84A có dung lượng bộ nhớ chương trình là 1024Word. Học viên: Nguyễn Anh Tú. 11 Viện Đại học Mở Hà Nội.

Khoa Đào tạo sau ñại học. Đề tài: Vi ñiều khiển chuẩn công nghiệp PIC16F84A và các chương trình ứng dụng. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Sơ ñồ bộ nhớ chương trình của PIC16F84A ñược mô tả như sau: Hình 1.4: Sơ ñồ khối bộ nhớ chương trình của PIC16F84A. Bộ nhớ dữ liệu của PIC: Bộ nhớ dữ liệu của PIC16F84A ñược chia làm 2 loại, ñó là:  Bộ nhớ EEPROM (có 64Byte).

Học viên: Nguyễn Anh Tú. 12 Viện Đại học Mở Hà Nội. Khoa Đào tạo sau ñại học. Đề tài: Vi ñiều khiển chuẩn công nghiệp PIC16F84A và các chương trình ứng dụng.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------  Bộ nhớ RAM (có 68Byte).
Bộ nhớ EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM): Đây là bộ nhớ cho phép xóa bằng ñiện nên gần như công việc xóa ñược tiến hành tức thời không giống như bộ nhớ ROM phải cần một khoảng thời gian ñể có thể xóa hết nội dung trong PIC. Đặc ñiểm khác biệt giữa bộ nhớ EEPROM và Flash là bộ nhớ EEPROM cho phép chúng ta Ghi – Xóa trên từng Byte dữ liệu, trong khi ñó bộ nhớ Flash (mặc dù chúng vẫn là loại EEPROM, ñể tránh nhầm lẫn ta gọi ñó là Flash EEPROM) khi xóa thì buộc phải xóa hết toàn bộ. Ngoài ra, bộ nhớ EEPROM cho phép Ghi – Xóa khoảng 10.000 lần còn bộ nhớ Flash EEPROM chỉ cho phép Ghi – Xóa 10.

Chú ý: Bộ nhớ EEPROM không có ñịa chỉ trực tiếp, ñịa chỉ của nó ñược truy xuất gián tiếp thông qua các thanh ghi EEADR và EEDATA.