Luận văn này trình bày về việc thiết kế, thi công và lập trình một thiết bị giúp hiển thị chỉ số điện kế và chỉ số nước tiêu thụ cho các hộ gia đình. Thiết bị bao gồm: - Khối điều khiển và lưu trữ sử dụng PIC16F877A. - Khối hiển thị gồm 12 LED 7 đoạn để hiển thị chỉ số điện kế và nước. - Khối thời gian thực sử dụng IC DS1307 để hẹn giờ thông báo nhập chỉ số điện kế, nước và hẹn giờ hiển thị. - Khối nút nhấn để nhập chỉ số điện kế và nước. - Khối giao tiếp với máy tính sử dụng cổng com chuẩn RS232. - Giao diện quản lý trên máy tính viết bằng Visual basic 6
GIỚI THIỆU
Tổng quan
Khoa học kỹ thuật đang phát triển mạnh mẽ và có ảnh hưởng tích cực đến chất lượng cuộc sống con người Tại Việt Nam, vai trò của khoa học kỹ thuật ngày càng trở nên quan trọng trong các lĩnh vực đời sống, công nghiệp và nông nghiệp, góp phần thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước.
Là sinh viên ngành kỹ thuật công nghệ, tôi nhận thức rõ tầm quan trọng của việc tự nghiên cứu và nâng cao kỹ năng để đóng góp vào việc phát triển sản phẩm công nghệ có giá trị cho xã hội Tôi luôn đam mê ứng dụng kiến thức về điện tử và kỹ năng lập trình để tạo ra những sản phẩm thực tiễn, nhằm cải thiện hiệu quả lao động và hỗ trợ con người trong những công việc lặp đi lặp lại, giúp giảm bớt sự nhàm chán.
Trong nhịp sống bận rộn ngày nay, việc ghi nhớ các công việc đơn giản như chỉ số điện, nước hàng tháng trở nên khó khăn đối với các thành viên trong gia đình Do đó, một thiết bị hỗ trợ nhắc nhở và quản lý chỉ số điện, nước, cũng như lưu trữ thông tin về chi phí là rất cần thiết để giúp mọi việc trở nên linh hoạt hơn Dưới sự hướng dẫn tận tình của Thầy Nguyễn Ngọc Quyền, tôi đã quyết định chọn đề tài này cho luận văn tốt nghiệp của mình.
Nhiệm vụ luận văn
Đề tài này không tập trung vào nghiên cứu một lĩnh vực mới mà chú trọng vào việc ứng dụng các kỹ thuật và công nghệ hiện có để chế tạo một sản phẩm cụ thể, có tính ứng dụng cao và phù hợp với thực tế Các nhiệm vụ được đặt ra trong đề tài sẽ hướng tới việc phát triển và tối ưu hóa sản phẩm dựa trên những công nghệ tiên tiến đang phổ biến.
- Tìm hiểu về vi điều khiển PIC16F877A và ngôn ngữ lập trình cho PIC
- Tìm hiểu về giao tiếp với LED 7 đoạn
- Tìm hiểu về giao tiếp I2C, giao tiếp UART
- Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình Visual Basic
LÝ THUYẾT
2.1 Khái quát về vi điều khiển PIC16F877A và trình biên dịch CCS
2.1.1 Các dạng sơ đồ chân
Hình 2 – 1: Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A và các dạng sơ đồ chân
2.1.2 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A
Hình 2 - 2: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A
Vi điều khiển PIC16F877A thuộc họ PIC16Fxxx, nổi bật với tập lệnh 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh được thực thi trong một chu kỳ xung clock, cho phép tốc độ hoạt động tối đa hiệu quả.
Hệ thống hoạt động ở tần số 20 MHz với chu kỳ lệnh 200ns Bộ nhớ chương trình có dung lượng 8Kx14 bit, trong khi bộ nhớ dữ liệu bao gồm 368 byte RAM và 256 byte EEPROM Thiết bị có 5 cổng I/O với tổng cộng 33 pin I/O và được trang bị 8 kênh chuyển đổi A/D.
Các đặc tính ngoại vi của vi điều khiển bao gồm Timer0 là bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit, Timer1 là bộ đếm 16 bit có khả năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay cả khi vi điều khiển ở chế độ sleep, và Timer2 là bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số cùng bộ postcaler Ngoài ra, còn có 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, cùng với cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD.
Vi điều khiển sở hữu nhiều đặc tính nổi bật, bao gồm bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa lên đến 100.000 lần và bộ nhớ EEPROM cho phép ghi xóa 1.000.000 lần, với khả năng lưu trữ dữ liệu lên đến 40 năm Hệ thống còn hỗ trợ tự nạp chương trình dưới sự điều khiển của phần mềm, cùng tính năng nạp chương trình trực tiếp trên mạch điện qua ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua hai chân Ngoài ra, vi điều khiển còn được trang bị Watchdog Timer với bộ dao động trong, chức năng bảo mật mã chương trình, chế độ Sleep tiết kiệm năng lượng, và khả năng hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau.
Bảng 1: Tóm tắt đặc điểm của VDK PIC 16F877
Vi điều khiển PIC16F877A sở hữu bộ nhớ chương trình flash với dung lượng 8K word (1 word = 14 bit), được chia thành các trang từ page 0 đến page 3 Điều này cho phép bộ nhớ chứa tối đa 8*1024 = 8192 lệnh, với mỗi lệnh sau khi mã hóa có dung lượng 1 word (14 bit) Để mã hóa địa chỉ cho 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình có kích thước 13 bit (PC).
Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (Reset
7 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 và không được địa chỉ hóa bởi bộ đếm chương trình; bộ nhớ stack sẽ được thảo luận chi tiết trong phần tiếp theo.
Hình 2 – 3: Bộ nhớ chương trình PIC16F877A
Bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A được chia thành 4 bank, mỗi bank có dung lượng 128 byte Trong đó, các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFG) nằm ở địa chỉ thấp, trong khi các thanh ghi mục đích chung (GPR) chiếm phần còn lại Để thuận tiện cho việc truy xuất, các thanh ghi SFR thường xuyên sử dụng, như thanh ghi STATUS, được đặt ở tất cả các bank, giúp giảm bớt lệnh trong chương trình.
8 Hình 2 – 4: Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A
Hình 2 – 5: Giao diện trình biên dịch CCS
Cấu trúc của 1 chương trình viết trên CCS:
2) Các lệnh tiền khai báo :
#use delay… #use delay(clock 000000) =>
#fuses …… khai báo tần số thạch anh (Hz) để sử dụng hàm delay
Sử dụng RS232 để khai báo cổng thu phát nối tiếp, đồng thời khai báo biến toàn cục với tên và kiểu biến phù hợp Ngoài ra, có thể khai báo biến cục bộ trong quá trình lập trình.
10 bên trong chương trình con và bên trong hàm MAIN
Chương trình ngắt 4) Chương trình ngắt
“chương trình con 1” 5) Chương trình con
“chương trình con 2” 6) Chương trình chính
Gọi các chương trình con
Ngày nay, trong các hệ thống điện tử hiện đại, nhiều IC và thiết bị ngoại vi cần giao tiếp với nhau và với thế giới bên ngoài Để tối ưu hóa hiệu quả phần cứng với mạch điện đơn giản, Phillips đã phát triển chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây mang tên I2C, viết tắt của Inter-Integrated Circuit, nhằm kết nối các IC với nhau.
I2C, mặc dù được phát triển bởi Philips, đã trở thành một chuẩn công nghiệp phổ biến cho giao tiếp điều khiển, được nhiều nhà sản xuất IC trên toàn thế giới áp dụng, bao gồm Texas Instruments, Maxim-Dallas, Analog Devices và National Semiconductor Bus I2C được sử dụng rộng rãi làm bus giao tiếp ngoại vi cho nhiều loại IC khác nhau, như các vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM, cũng như các chip nhớ như RAM tĩnh, EEPROM, bộ chuyển đổi tương tự số (ADC), số tương tự (DAC) và các IC điều khiển LCD, LED.
Giao tiếp I2C bao gồm hai dây chính: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL) Trong đó, SDA là đường truyền dữ liệu hai chiều, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ chỉ có một chiều Khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào đường I2C, chân SDA của thiết bị sẽ được nối với dây SDA của bus, và chân SCL sẽ được kết nối với dây SCL.
Hình 2 – 6: Kết nối thiết bị vào bus I2C
Mỗi dây SDA và SCL trong giao tiếp I2C cần được kết nối với điện áp dương thông qua điện trở kéo lên (pull-up resistor) Điều này là cần thiết vì chân giao tiếp I2C của các thiết bị ngoại vi thường sử dụng cấu trúc cực máng hở (open-drain or open-collector) Giá trị của các điện trở kéo lên này thay đổi tùy theo từng thiết bị và chuẩn giao tiếp, thường nằm trong khoảng từ 1KΩ đến 4.7KΩ.
Khi kết nối một thiết bị hoặc IC với bus I2C, mỗi thiết bị cần có một địa chỉ duy nhất và được cấu hình là thiết bị chủ (master) hoặc tớ (slave) Sự phân biệt này là cần thiết vì thiết bị chủ nắm quyền điều khiển trên bus I2C, tạo xung đồng hồ cho toàn hệ thống Trong quá trình giao tiếp, thiết bị chủ không chỉ tạo xung đồng hồ mà còn quản lý địa chỉ của thiết bị tớ, với thiết bị chủ giữ vai trò chủ động và thiết bị tớ giữ vai trò bị động.
Hình 2 – 7: Truyền nhận dữ liệu giữa chủ/tớ
Hình ảnh trên cho thấy đồng hồ chỉ một hướng duy nhất từ chủ đến tớ, trong khi luồng dữ liệu có thể di chuyển theo cả hai chiều, từ chủ đến tớ hoặc ngược lại từ tớ đến chủ.
Bus I2C là một giao thức truyền dữ liệu cho phép truyền 8-bit dữ liệu có hướng với tốc độ 100Kbits/s trong chế độ chuẩn Tốc độ truyền có thể tăng lên 400Kbits/s trong chế độ nhanh và đạt tối đa 3,4Mbits/s trong chế độ cao tốc.
Một bus I2C có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau:
Một chủ một tớ (one master – one slave)
Một chủ nhiều tớ (one master – multi slave)
Nhiều chủ nhiều tớ (Multi master – multi slave)
Dù ở chế độ nào, một giao tiếp I2C đều dựa vào quan hệ chủ/tớ Giả thiết một thiết bị
A muốn gửi dữ liệu đến thiết bị B, quá trình được thực hiện như sau:
THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG
Hình 3 – 1: Sơ đồ khối của thiết bị
PIC16F877A là bộ vi điều khiển chính, chịu trách nhiệm cho tất cả các hoạt động của thiết bị Nó nhận tín hiệu từ các nút nhấn, khối RTC (DS1307) và giao tiếp RS232, sau đó xử lý và phát tín hiệu điều khiển, đồng thời hiển thị thông tin trên LED 7 đoạn.
3.2 Khối điều khiển và lưu trữ
Hình 3 – 2: Khối vi điều khiển và lưu trữ
3.3 Khối thời gian thực RTC
DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC) của Dallas Semiconductor, thuộc Maxim Integrated Products, cung cấp thời gian tuyệt đối với các đơn vị giây, phút, giờ Chip này có 7 thanh ghi 8-bit để lưu trữ thông tin về giây, phút, giờ, thứ trong tuần, ngày, tháng và năm, cùng với 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống có thể sử dụng như RAM DS1307 giao tiếp qua giao diện I2C, giúp cấu trúc bên ngoài đơn giản Chip này có hai dạng gói SOIC và DIP với 8 chân.
Hình 3 – 3: Sơ đồ chân IC DS1307 Các chân của DS1307 được mô tả như sau:
X1 và X2: là 2 ngõ kết nối với 1 thạch anh 32.768KHz làm nguồn tạo dao động cho chip
V BAT : cực dương của một nguồn pin 3V nuôi chip
GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc
Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thường là 5V và dùng chung với vi điều khiển
Chú ý là nếu Vcc không được cấp nguồn nhưng VBAT được cấp thì DS1307 vẫn đang hoạt động (nhưng không ghi và đọc được)
SQW/OUT là chân tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver) với tần số lập trình được Chân này không liên quan đến chức năng của DS1307, đồng hồ thời gian thực, vì vậy chúng ta có thể bỏ qua khi kết nối mạch.
SCL và SDA là 2 đường giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C mà chúng ta đã tìm hiểu trong bài TWI của AVR
Có thể kết nối DS1307 bằng một mạch điện đơn giản như trong hình sau:
Hình 3 – 4: Sơ đồ kết nối DS1307
DS1307 được cấu tạo từ nhiều thành phần quan trọng như mạch nguồn, mạch dao động, mạch điều khiển logic, mạch giao tiếp I2C, con trỏ địa chỉ và các thanh ghi (RAM) Vì hầu hết các thành phần bên trong đều là "cứng", việc sử dụng DS1307 chủ yếu tập trung vào việc ghi và đọc các thanh ghi của chip Do đó, người dùng cần nắm vững hai vấn đề cơ bản: cấu trúc các thanh ghi và cách truy xuất chúng thông qua giao diện I2C.
Như tôi đã trình bày, bộ nhớ DS1307 có tất cả 64 thanh ghi 8-bit được đánh địa chỉ từ
Các thanh ghi từ 0 đến 63 (0x00 đến 0x3F trong hệ hexadecimal) bao gồm 8 thanh ghi đầu tiên dành cho chức năng đồng hồ thực (RTC), trong khi 56 thanh ghi còn lại có thể được sử dụng như RAM cho biến tạm Bảy thanh ghi đầu tiên lưu trữ thông tin thời gian, bao gồm giây, phút, giờ, ngày trong tuần, ngày, tháng và năm Ghi giá trị vào bảy thanh ghi này tương đương với việc cài đặt thời gian khởi động cho RTC, trong khi việc đọc giá trị từ chúng cho phép lấy thông tin thời gian thực mà chip cung cấp.
Giá trị của thanh ghi "giây" là 42, và sau 12 giây, giá trị đọc được là 54 Thanh ghi thứ 8 (CONTROL) điều khiển xung ngõ ra SQW/OUT (chân 6), nhưng do không sử dụng chân SQW/OUT, chúng ta có thể bỏ qua thanh ghi này Tổ chức bộ nhớ của DS1307 được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 3 – 5: Các thanh ghi của DS1307
Bảy thanh ghi đầu tiên của DS1307 đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của nó, vì vậy chúng ta sẽ khám phá chi tiết về các thanh ghi này Trước tiên, hãy xem xét cách tổ chức từng bit của các thanh ghi này.
Trong tổ chức thanh ghi theo từng bit, giá trị thời gian lưu được biểu diễn dưới dạng BCD (Binary-Coded Decimal) Để cài đặt giá trị 42 cho thanh ghi MINUTES, ta chuyển đổi 42 sang mã thập lục phân, thu được 42=0x2A Tuy nhiên, do các thanh ghi này chứa giá trị BCD, cách gán giá trị sẽ khác so với phương pháp thông thường, mà không chỉ đơn giản là gán MINUTESB hoặc MINUTES=0x2A.
Hình 3 – 7: Giá trị lưu trong các thanh ghi là BCD
Số 42 được chia thành hai chữ số là 4 và 2 Mỗi chữ số sau đó được chuyển đổi sang mã nhị phân 4-bit, trong đó chữ số 4 tương ứng với mã nhị phân 0100.
Số 2 được chuyển đổi thành 0010, và khi ghép mã nhị phân của 2 chữ số, ta thu được số BCD 8 bit, cụ thể là 01000010 (nhị phân) tương ứng với giá trị 66 Để thiết lập số phút 42 cho DS1307, chúng ta cần ghi giá trị 66 (mã BCD) vào thanh ghi MINUTES.
42) Tất cả các phần mềm lập trình hay thanh ghi của chip điều khiển đều sử dụng mã nhị
Số BCD, mặc dù có vẻ gây rắc rối, lại mang lại nhiều lợi ích trong việc hiển thị, đặc biệt khi sử dụng LED 7 đoạn để hiển thị từng chữ số Để chuyển đổi từ số thập nhị phân hoặc thập phân sang BCD, chúng ta cần viết các chương trình con, điều này sẽ được trình bày trong quá trình lập trình giao tiếp với DS1307 Ví dụ, khi hiển thị 42 phút bằng 2 LED 7 đoạn, giá trị thu được từ thanh ghi MINUTES là 66 (mã BCD của 42), tương ứng với 66000010 trong hệ nhị phân Để hiển thị, ta chỉ cần tách bit thông thường thành 2 nhóm 0100 và 0010.
Sử dụng toán tử shift ">>" trong C hoặc lệnh LSL, LSR trong assembly, chúng ta có thể tách biệt các nhóm nhị phân 0010 và 0100, tương ứng với giá trị 2 và 4 Việc này cho phép xuất trực tiếp các giá trị này ra LED một cách nhanh chóng.
Việc sử dụng 2 LED 7-đoạn trong cùng một PORT giúp đơn giản hóa quá trình hiển thị số mà không cần tách từng chữ số Chỉ cần xuất trực tiếp giá trị BCD ra PORT, việc hiển thị các chữ số trở nên dễ dàng và nhanh chóng, loại bỏ nhu cầu thực hiện phép chia cho cơ số 10, tiết kiệm thời gian thực thi.
100, 1000…như trong trường hợp số thập phân
Thanh ghi giây (SECONDS) trong DS1307 là thanh ghi đầu tiên với địa chỉ 0x00 Bốn bit thấp của thanh ghi này lưu trữ mã BCD 4-bit cho chữ số hàng đơn vị của giây Giá trị tối đa cho chữ số hàng chục là 5, vì vậy không có giây nào vượt quá 59.
Để mã hóa số 5 1, chỉ cần 3 bit từ các bit SECONDS6:4 Bit cao nhất, bit 7, trong thanh ghi này là bit điều khiển CH (Clock halt – treo đồng hồ) Khi bit này được thiết lập bằng 1, bộ dao động trong chip sẽ bị vô hiệu hóa và đồng hồ sẽ không hoạt động Do đó, cần phải reset bit này xuống 0 ngay từ đầu.
THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM (NẾU CÓ)
Sơ đồ giải thuật vòng Main
Hình 4 – 1: Sơ đồ giải thuật chương trình chính
Sơ đồ giải thuật nhập chỉ số điện kế - nước
Hình 4 – 2: Sơ đồ giải thuật nhập chỉ số điện kế - nước
NOWDT,PUT,HS,NOPROTECT,NOLVP
#use i2c(master,fast,SDA=RTC_SDA,
SCL=RTC_SCL) // khai bao che do giao tiep I2C
#use rs232(baud00,parity=N,xmit=PIN_C6, rcv=PIN_C7)
Đoạn mã trên định nghĩa một số biến và hàm trong chương trình sử dụng vi điều khiển DS1307 để quản lý thời gian Các biến như giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm được khai báo dưới dạng số nguyên 8 bit Mảng dig chứa các giá trị để hiển thị số trên màn hình Hàm "chuyen" chuyển đổi giá trị số nguyên thành định dạng nhị phân để ghi vào DS1307, bao gồm việc tách chữ số hàng chục và hàng đơn vị, sau đó kết hợp chúng lại với nhau.
// chuong trinh con chuyen so hex sang chuc va don vi de hien thi void chuyendoi1(int8 tam1)
{ tam=tam1; dv=tam%10; ch=tam/10; dv=dig[dv]; dv=dv
