Luận Văn Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển PIC 18F97J60

Đồ án tốt nghiệp năm 2013
Đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển PIC 18F97J60
Định dạng file word


Mục lục
Trang
CHƯƠNG 1 - TÌM HIỂU VĐK PIC 18F97J60. 1
1.1.Tổng quan về VĐK PIC. 1
1.1.1. Lịch Sử Phát Triển. 1
1.1.2. PIC là gì?. 1
1.1.3. Phân Loại 1
1.1.4. Kiến trúc PIC 3
1.2. Vi điều khiển PIC 18F97J60. 4
1.2.1. Tổng quan về họ PIC 18F. 4
1.2.2. Sơ đồ chân PIC 18F97J60. 8
1.2.3. Sơ đồ khối PIC18F97J60 (100-PIN). 15
1.2.4. Phần mềm tích hợp môi trường phát triển- MPLAB 25
1.2.5. Mạch nạp cho PIC 18F97J60. 25
1.3. So sánh PIC 18F97J60 với các họ khác. 26
1.3.1. Một số họ vi điều khiển phổ biến: 26
1.3.2. Lựa chọn PIC 18F97J60. 27
CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT TỪ XA 28
2.1. Các hệ thống điều khiển giám sát từ xa. 28
2.1.1. Hệ DCS. 28
2.1.2. Hệ SCADA 29
2.2. Cảm biến đo nhiệt độ và cảm biến quang. 31
2.2.1. Một số cảm biến đo nhiệt độ. 31
2.2.2. Cảm biến quang. 35
2.3. Cơ sở thiết kế mạng. 37
2.3.1. Mạng và giao thức. 38
2.3.2. Phân loại mạng theo địa lý. 40
2.3.3. Internet và các thuật ngữ liên quan đến Internet 41
2.3.4. Giao thức TCP/IP. 43
2.3.5. Hệ thống tên - địa chỉ 46
2.3.6. Địa chỉ IP. 47
2.3.7. Cở sở giao thức và thiết kế lưu đồ dữ liệu. 49
2.3.8. Lập trình giao thức Ethernet. 50
CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ MẠCH ĐỀU KHIỂN - GIÁM SÁT THIẾT BỊ TỪ XA 53
3.1. Sơ đồ khối của hệ thống. 53
3.1.1. Khối CPU PIC 18F97J60. 54
3.1.2. Khối Ethernet 55
3.1.3. Khối LCD 55
3.1.4. Khối tạo nguồn 3.3V 56
3.1.5. Khối thời gian thực. 56
3.1.6. Tụ lọc. 56
3.1.7. Khối kết nối mạch nạp. 57
3.1.8. Khối cảm biến nhiệt độ. 57
3.1.9. Khối cảm biến ánh sáng. 57
3.1.11. Khối mô phỏng các cảm biến. 58
3.1.12. Mạch Reset 58
3.1.13. Khối tạo dao động. 59
3.1.14. Khối Transistor kích dòng và rơle. 59
3.1.15. Chuông cảnh báo. 60
3.1.16. Led báo hiệu. 60
3.2. Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch điều khiển. 61
3.3. Một số hình ảnh của phần cứng. 62
CHƯƠNG 4 - PHẦN MỀM . 63
4.1. Lưu đồ thuật toán của hệ thống. 63
4.2. Giao diện trên Web điều khiển. 64
4.3. Phần mềm (code). 64
KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 78


Danh mục hình vẽ

Hình 1.1. Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman. 3
Hình 1.2. Vi điều khiển PIC 18F97J60. 4
Hình 1.3. Sơ đồ chân PIC18F97J60. 8
Hình 1.4. Sơ đồ khối PIC18F97J60. 15
Hình 1.5. Cấu trúc bộ dao động. 16
Hình 1.6. Mô tả bộ nhớ chương trình. 17
Hình 1.7 mô tả tổ chức bộ nhớ dữ liệu của thiết bị. 18
Hình 1.8. Mô hình đơn giản của một cổng I / O 20
Hình 1.9. Mức điện áp đầu vào. 21
Hình 1.10. Sơ đồ khối đơn giản của các mô-đun ETHERNET 23
Hình 1.11. Chế độ SPI và I2C 24
Hình 2.1. Cấu trúc hệ thống DCS. 28
Hình 2.2. Cấu trúc hệ thống SCADA 30
Hình 2.3. Pt100 và thông số dải đo. 31
Hình 2.4. Nhiệt điện trở và cách đấu dây. 32
Hình 2.5 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn (LM35). 32
Hình 2.6. Sơ đồ chân ds18B20. 33
Hình. 2.7. Sơ đồ khối DS18B20. 33
Hình 2.8. Quy đổi nhiệt độ sang mã Hex. 34
Hình 2.9. Quang trở. 35
Hình 2.10. Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng. 36
Hình 2.11. Hoạt động của quang trở. 37
Hình 2.12. Kiểm tra kết nối giữa thiết bị với máy tính thông qua cổng Ethernet 38
Hình 2.13. Mô hình tổng quát của mạng Internet 39
Hình 2.14. Các thiết bị phần cứng để nối mạng máy tính. 39
Hình 2.15. Cấu trúc mạng hình sao. 40
Hình 2.16. Cấu trúc mạng hình tuyến. 40
Hình 2.17. Cấu trúc mạng dạng vòng. 41
Hình 2.18. Liên mạng máy tính toàn cầu – Internet 41
Hình 2.19. Cấu trúc khung tin Ethernet 42
Hình 2.20. Kiến trúc TCP/IP. 43
Hình 2.21. Mô tả khái quát về bộ giao thức TCP/IP. 45
Hình 2.22. Cấu trúc dữ liệu trong TCP/IP. 45
Hình 2.23. Phân lớp địa chỉ IP. 48
Hình 2.24. Mô hình chồng giao thức TCP/IP. 49
Hình 2.25. Lưu đồ dữ liệu vào/ra của giao thức TCP/IP. 50
Hình 2.26. Cấu trúc 1 frame Ethernet 51
Hình 3.1. Sơ đồ khối của thiết bị điều khiển trung tâm 53
Hình 3.1. Khối CPU PIC18F97J60. 54
Hình 3.2. Khối truyền thông giao tiếp Ethernet 55
Hình 3.3. Khối giao tiếp màn hình hiển thị LCD 55
Hình 3.4. Khối tạo nguồn nuôi +3.3V 56
Hình 3.5. IC thời gian thực. 56
Hình 3.6. Tụ lọc. 56
Hình 3.7. Kết nối mạch nạp. 57
Hình 3.8. Cảm biến nhiệt 57
Hình 3.9. Khối cảm biến ánh sáng. 57
Hình 3.10. Kết nối cảm biến. 58
Hình 3.11. Mô phỏng các cảm biến. 58
Hình 3.12. Mạch reset 58
Hình 3.13. Bộ tạo dao động. 59
Hình 3.14 Transistor kích dòng và rơle. 59
Hình 3.15. Chuông báo hiệu. 60
Hình 3.16. Led báo hiệu. 60
Hình 3.17. Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch điều khiển. 61
Hình 3.18. Mạch điều khiển. 62
Hình 3.19. Panel mô phỏng. 62
Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán hệ thống. 63
Hình 4.2. Giao diện Web điều khiển. 64


CHƯƠNG 1

TÌM HIỂU VĐK PIC 18F97J60


1.1.Tổng quan về VĐK PIC.

1.1.1. Lịch Sử Phát Triển

Năm 1965 hãng Genneral Instrument thành lập ban vi điện tử nhằm tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo bộ nhớ kiểu EPROM và EEPROM, đó là các linh kiện thu hút nhiều đầu tư của các phòng thí nghiệm bán dẫn. Đầu những năm 70 Genneral Instrument cũng chế tạo vi xử lý 16 bit PC1600. Bộ xử lý này khá tốt nhưng có nhược điểm là khả năng vào ra không mạnh để thích ứng bộ xử lý PC1600 trong các ứng dụng cần có tính nâng cao. Năm 1975 Genneral Instrument thiết kế vi mạch điều khiển giao tiếp ngoại vi (Peripheral interface controler) viết tắt là PIC, đó là linh kiện hỗ trợ các tính năng vào ra cho vi xử lý PIC không cần nhiều chức năng vì chỉ xử lý các công việc vào ra do đó bộ m. lệnh của nó khó nhỏ gọn. Những vi điều khiển PIC đầu tiên có điểm yếu là chế tạo theo công nghệ n-MOS nên tiêu thụ nhiều năng lượng, bộ nhớ chương tr.nh là loại ROM mặt nạ chỉ nạp được một lần, do đó chương trình điều khiển được nạp ngay khi chế tạo vi mạch nên chỉ thích hợp với các khách hang đặt mua với số lượng lớn, để lắp ráp trong sản xuất những sản phẩm cụ thể.
Những năm đầu thập kỷ 80 Genneral Instrument gặp khó khăn trong thương mại và tổ chức lại. Hãng tập trung vào chế tạo linh kiện bán dẫn công suất lớn là thế mạnh cho tới hiện nay của hãng. Genneral Instrument đã chuyển nhượng Ban vi điện tử và nhà máy tại Chandle, bang Anizona cho các nhà đầu tư. Họ lập ra một công ty mới, đặt tên là Arizona Microchip technology hiện nay là Microchip technology Inc.
Chiến lược của các nhà đầu tư là tập trung vào vi điều khiển và các bộ nhớ bán dẫn. Các vi mạch PIC n-MOS được cải tiến, chế tạo dựa trên nền tảng công nghệ mới CMOS. Các sản phẩm đầu tiên của Microchip được biết tới và bán ra với số lượng lớn là các vi điều khiển PIC thuộc họ PIC16C5x. Họ này có hai biến thể với bộ nhớ chương trình là OTP và UV EPROM. Loại OTP có thể nạp trình một lần dùng cho sản xuất loại lớn. Loại UV EPROM có thể xóa được bằng tia cực tím (tia UV) dùng khi phát triển, thử nghiệm phần mềm.
Năm 1983 Microchip là hãng đầu tiên tích hợp được bộ nhớ chương trình flash EEPROM vào những vi điều khiển mới, trong đó được biết đến nhiều nhất là PIC. Bộ nhớ chương trình flash đã loại bỏ vai trò của vi điều khiển có bộ nhớ xoá bằng tia cực tím, có vỏ bằng gốm đắt tiền và các đèn chiếu tia cực tím.
1.1.2. PIC là gì?

PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là “máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600. Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay.
1.1.3. Phân Loại

Tiêu chuẩn để phân nhóm dựa trên sự khác nhau về kiến trúc bộ xử lí bên trong vi điều khiển.
- Số các thanh ghi có thể truy cập được.
- Có hay không có ngắt, số lượng ngắt.
- Số lượng các phần cứng có chức năng đặc biệt.
- Độ dài từ lệnh.
Dựa vào những đặc điểm đó vi điều khiển PIC được chia làm 4 họ:
1.1.3.1. Họ cấp thấp (low-end)

Gồm các loại được ký hiệu 12C5xx, 16C5x, 16C505, 16HV540
Độ dài từ lệnh 12 bit
Bố chí các thanh ghi: có 32 thanh ghi trên một bank, tối đa có 4 bank
Đặc điểm chung:
- Rất thích hợp trong các ứng dụng giao diện đơn giản với ngoại vi.
- Bộ nhớ chương trình kiểu OTP hoặc EPROM xoá được bằng tia cực tím.
- Tốc độ cao, thực hiện được 5 triệu chỉ thị/s với tần số xung nhịp 20MHz.
- Chỉ có một bộ đếm timer.
- Không có các ngắt cứng.
- Không có các lối ra tăng cường.
- Nạp trình song song, trừ PIC12C5xx và PIC16C505 được nạp trình nối tiếp theo giao thực ICSP.
1.1.3.2. Họ cấp trung (Mid-range)

Bao gồm 12C6xx, 14C000, 16C55x, 16C6x, 16C62x, 16F62x, 16C67x, 16C8x, 16F87x và 16C9xx.
Độ dài từ lệnh 14 bit
Là họ vi điều khiển PIC thông dụng nhất hiện nay.
Bố chí các thanh ghi: 128 byte trên một bank, tối đa 4 bank.
Là vi điều khiển vạn năng tinh năng mạnh.
Có rất nhiều biến thể khắc nhau, với các kiểu đóng vỏ đa dạng: DIP, PLCC,
Đặc điểm:
- Tốc độ cao, thực hiện được 5 triệu chỉ thị /s ở xung nhịp 20MHz.
- Có các ngắt phần cứng.
- Có từ 1 đến 3 bộ đếm – timer
- Có rất nhiều kiểu khác nhau về chân vào/ra tăng cường bao gồm các vào/ra tương tự,giao diện truyền thông nối tiếp: đồng bộ, không đồng bộ, 12C, SPI, CAN, USB , bộ, điều khiển LCD.
- Bộ nhớ chương trình flash ở hầu hết các vi mạch.
- Khả năng nạp trình nối tiếp ICSP.
- Có khả năng tự ghi vào bộ nhớ chương trình (self-programming).
- Có phần cứng gỡ rối chương trình ICD ở một số loại.
1.1.3.3. Họ cấp cao (High-end) 17Cxxx

Gồm các loại 17Cxxx
Độ dài từ lệnh 16 bit
Bố trí các thanh ghi: 224 byte trên một bank, tối đa 8 bank, 48 thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR).
Đặc điểm chung.
- Kiến trúc khác so với họ PIC cấp chung, cấp thấp.
- Có ác lệnh tăng cường và nhiều khả năng định địa chỉ.
- Vi điều khiển giao tiếp bus, truy nhập cac thiết bị song song trực tiếp.
- Có một số lối vào/ra tăng cường.
- Bộ nhớ chương trình OTP.
- Nạp trình kiểu song song.
1.1.3.4. Họ cấp cao (High- performance)

Gồm những loại có kí hiệu 18Cxxx và 18Fxx2
Độ dài từ lệnh 16 bit.
Bố trí các thanh ghi 256 byte trên một bank, tối đa có 16 bank.
Đặc điểm chung:
- Kiển trúc nâng cao, dựa trên nền tảng của họ cấp trung, theo xu hướng thừa kế những tính năng của các loại cấp trung đồng thời bổ xung các tính năng mới.Do đó dần dần có khả năng thay thế toàn bộ PIC cấp trung.
- Có các lệnh tăng cường và nhiều khả năng định địa chỉ.
- Có khả năng truy nhập tới 2Mbyte bộ nhớ chương trình, 4Kbyte bộ nhớ RAM.
- Véctơ ngắt đơn, có thể lập tr.nh được mức độ ưu tiên các nguồn ngắt.
- Khả năng vào/ra tương tự họ cấp trung.
- Tần số hoạt động tối đa 40MHz, có bộ nhân tần số PLL.
- Có bộ nhớ chương trình flash.
- Nạp trình nối tiếp, có khả năng tự ghi vào bộ nhớ chương trình.
Hiện nay mới nhất là DSPIC với nhiều tính năng vượt trội:
1.1.4. Kiến trúc PIC

Cấu trúc phần cứng của một vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng kiến trúc: kiến trúc Von Neuman và kiến trúc Havard.

Hình 1.1. Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman.
Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Havard. Điểm khác biệt giữa kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình.
Đối với kiến trúc Von-Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chung trong một bộ nhớ, do đó ta có thể tổ chức, cân đối một cách linh hoạt bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. Tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa khi tốc độ xử lí của CPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó, trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thể tương tác với bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình. Như vậy có thể nói kiến trúc Von-Neuman không thích hợp với cấu trúc của một vi điều khiển.


TÀI LIỆU THAM KHẢO


[1] Hoàng Minh Sơn, “Mạng truyền thông công nghiệp”, nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2005.
[2] Ngô Diên Tập. Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển. nhà xuất bản khoa học kỹ thuật,10/08/2004
Các tài liệu lấy trên Internet.
1. Nghiên cứu phát triển hệ thống đo và điều khiển nhúng trên cơ sở mạng Ethernet và giao thức TCP/IP. (Phan Minh Tân, Vũ Sỹ Thắng, Phạm Ngọc Minh, Phạm Thượng Cát) .
2. Embedded C programming and The Microchip PIC (Richard Barnett, Larry O’cull, Sarah Cox).
3. The Microchip TCP/IP Stack (Nilesh Rajbharti - Microchip Technology Inc.)
4. PIC18F97J60 Family Data Sheet
Một số trang web:
1. http://dientuvietnam.net
2. http://picvietnam.com
3. http://www.tailieuvietnam.net
4. http://www.microchip.com