CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu Ngày nay hệ thống điều khiển đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ, văn minh hiện đại. Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều khiển. Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điểu khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot… Không chỉ dừng lại ở đó, sự phát triển của tự động hóa còn đem lại nhiều tiện ích phục vụ đời sống hàng ngày cho con người.
Để phục vụ tốt hơn nữa đời sống con người trong thời điểm xã hội ngày càng hiện đại và phát triển hiện nay. Thay thế dần con người làm việc ở những nơi nguy hiểm, độc hại, hay những nơi con ngươi không thể tới được. Vấn đề đặt ra trước tiên khi xây dựng một hệ thống tự động hóa không còn là nên hay không nên, mà là lựa chọn hệ thống điều khiển, mạng truyền thông nào để điều khiển và giám sát cho phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của thực tế.2 Mô tả mạch Xe tự hành sử dụng cảm biến siêu âm đo khoảng cách và gửi tín hiệu về vi điều khiển PIC16F877A xử lí, sau đó truyền tín hiệu qua Module L298N điều khiển động cơ DC điều hướng xe tránh vật cản. XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Trang 2/48 CHƯƠNG 2.
GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A VÀ MỘT SỐ LINH KIỆN KHÁC 2.1 Tổng quan về vi điều khiển PIC16F877A [1] 2.1 Một vài thông số về vi điều khiển PIC16F877A Hình 2-1: Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế PIC16F877A Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh điều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt đống tối đa cho phép là 20Mhz với một chu kì lệnh là 20ns. Bộ nhớ chương trình 8K x 14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368 x 8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256 x 8 byte.
Số PORT I/O là 5 (A, B, C, D, E) với 33 pin I/O. Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau: Timer 0: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit. Timer 1: 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. Timer 2: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.
XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Trang 3/48 2.2 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A Hình 2-2: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A 2.3 Tổ chức bộ nhớ Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm: Bộ nhớ chương trình (Program memory), bộ nhớ dữ liệu (Data memory).1 Bộ nhớ chương trình (Program memory) Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash, dung lượng bộ nhớ 8K word (1word = 14 bit) và được phân thành nhiều trang (từ page 0 đến page 3). Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024=8192 lệnh vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1word (14bit). Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Trang 4/48 có dung lượng 13 bit (PC<12:0>). Khi vi điều khiển được 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 stck và không được địa chỉ hóa bởi bộ đếm chương trình. Hình 2-3: Bộ nhớ chương trình của PIC16F877A 2.2 Bộ nhớ đũ liệu (Data memory) Bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A 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 Register) 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 cả các bank của bộ nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh của chương trình. XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Trang 5/48 Hình 2-4: Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A 2.3 Thanh ghi chức năng đặc biệt SFR Đây là các thanh ghi được sử dụng bởi CPU hoặc dùng để thiết lập và điều khiển các khối chức năng được tích hợp bên trong vi điều khiển. Có thể phân thanh ghi SFR ra làm hai loại: Thanh ghi SFR liên quan đến các chức năng bên trong (CPU) và thanh ghi SFR dùng để thiết lập và điều khiển các khối chức XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Trang 6/48 năng bên ngoài (ví dụ như ADC, PWM, …).
Thanh ghi và điều khiển các khối chức năng bên ngoài (ví dụ như ADC, PWM, …). Thanh ghi chức năng đặc biệt bao gồm các thanh ghi: Thanh ghi STATUS (03h, 83h, 103h, 183h): Thanh ghi chứa kết quả thực hiện phép toán của khối ALU, trạng thái reset và các bit chọn bank cần truy xuất trong bộ nhớ dữ liệu Hình 2.5: Thanh ghi STATUS Thanh ghi OPTION_REG (81h, 181h) Thanh ghi này cho phép đọc và ghi, cho phép điều khiển chức năng pull-up của các chân trong PORTB, xác lập các tham số về xung tác động, cạnh tác động của ngắt ngoại vi và bộ đếm Timer0. Hình 2-5: Thanh ghi OPTION_REG Thanh ghi INTCON (0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh) Thanh ghi cho phép đọc và ghi, chứa các bit điều khiển và các bit cờ hiệu khi timer0 bị tràn, ngắt ngoại vi RB0/INT và ngắt interrupt-on-change tại các chân của PORTB. Hình 2-6: Thanh ghi INTCON Thanh ghi PIE1 (8Ch) Chứa các bit điểu khiểu chi tiết các ngắt của khối chức năng ngoại vi.
Hình 2-7: Thanh ghi PIE1 XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Trang 7/48 Thanh ghi PIR1 (0Ch) Chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoai vi, các ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE1. Hình 2-8: Thanh ghi PIR1 Thanh ghi PIE2 (8Dh) Chứa các bit điều khiển các ngắt của khối chức năng CCP2, SSP bus, ngắt của bộ so sánh và ngắt ghi và bộ nhớ EEPROM. Hình 2-9: Thanh ghi PIE2 Thanh ghi PIR2 (0Dh) Chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoai vi, các ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE2. Hình 2-10: Thanh ghi PIR2 Thanh ghi PCON (8Eh) Chứa các cờ hiệu cho biết trạng thái các chế độ reset của vi điều khiển.
Hình 2-11: Thanh ghi PCON Thanh ghi mục đích chung GPR Các thanh ghi này có thể được truy xuất trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua thanh ghi FSG (File Select Register). Đây là các thanh ghi dữ liệu thông thường, sử dụng có thể tùy theo mục đích chương trình mà có thể dùng các thanh ghi này để chứa các biến số, hằng số, kết quả hoặc các tham số phục vụ cho chương trình. XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Trang 8/48 2.4 Stack 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 tri6 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.4 Các cổng xuất nhập dữ liệu PIC 16F877A 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 XE TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Trang 9/48 toàn có thể được xác lập và điều khiển được thông qua các thanh ghi SFR liên quan đến chân xuất nhập đó. Vi điều khiển PIC16F877A có 5 cổng xuất nhập, bao gồm PORTA, PORTB, PORTC, PORTD và PORTE. Cấu trúc và chức năng của từng cổng xuất nhập sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau.1 Port A PORTA (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 PORTA 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 và các thanh ghi điều khiển tương ứng TRIS (đối với PORTA là TRISA, đối với PORTB là TRISB, đối với PORTC là TRISC, đối với PORTD là TRISD vàđối với PORTE là TRISE).