Ứng dụng vi điều khiển PIC 16F877A trong thí nghiệm vật lí phổ thông

Đề tài này nêu ra một ứng dụng vi điều khiển nhằm thiết kế một bộ thí nghiệm đo đạc thời gian và xử lí dữ liệu dùng trong khảo sát các thí nghiệm cơ học thuộc chương trình vật lí trung học phổ thông. Không chỉ dùng để đo thời gian đến bậc sai số 6.6x10 -6s bằng cách xử lí các tín hiệu từ cổng hồng ngoại và nam châm điện; bộ thí nghiệm tương tác với người dùng bằng ma trận bàn phím hoặc máy tính cá nhân. Từ đó bộ thí nghiệm trở nên cơ động hơn trong đo đạc và tự động xử lí kết quả nhằm phục vụ cho các bài thí nghiệm kiểm chứng ngay tại lớp học.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng vi điều khiển PIC 16F877A trong thí nghiệm vật lí phổ thông Năm học 2012 - 2013 ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A TRONG THÍ NGHIỆM VẬT LÍ PHỔ THÔNG Nguyễn Huỳnh Duy Khang (Sinh viên năm 4, Khoa Vật lí) GVHD: HVCH Trần Đặng Bảo Ân, TS Nguyễn Lâm Duy TÓM TẮT Đề tài này nêu ra một ứng dụng vi điều khiển nhằm thiết kế một bộ thí nghiệm đo đạc thời gian và xử lí dữ liệu dùng trong khảo sát các thí nghiệm cơ học thuộc chương trình vật lí trung học phổ thông. Không chỉ dùng để đo thời gian đến bậc sai số 6.6  10 6 s bằng cách xử lí các tín hiệu từ cổng hồng ngoại và nam châm điện; bộ thí nghiệm tương tác với người dùng bằng ma trận bàn phím hoặc máy tính cá nhân. Từ đó bộ thí nghiệm trở nên cơ động hơn trong đo đạc và tự động xử lí kết quả nhằm phục vụ cho các bài thí nghiệm kiểm chứng ngay tại lớp học. Từ khóa: vi điều khiển, thí nghiệm cơ học, thí nghiệm kiểm chứng. ABSTRACT This project indicates an application of the microcontroller in order to design a set of experiments for time measurement and data processing. It is used to study mechanical experiments in the high school physics syllabus. The set of experiments is used not only to measure the time to high accuracy of 6.6  10 6 s through signal processing from infrared gate and electromagnet but also to interact with the users through keyboard matrix or personal computer. From that point, the set of experiments becomes more mobile in measurement and automatic result processing to serve the experimental vertication in the classroom. Keywords: microcontroller, mechanical experiment, experimental vertication. 1. Mở đầu Thí nghiệm dạy học vật lí trong trường phổ thông là một phương tiện quan trọng có tác dụng to lớn trong việc giúp học sinh chiếm lĩnh các tri thức và kĩ năng. Tuy nhiên, do điều kiện cơ sở vật chất còn thiếu thốn, việc lồng ghép các thí nghiệm vật lí là rất khó khăn. Những giờ thực hành trên lớp đúng ra phải theo phân phối chương trình nhưng thực tế lại được tổ chức thực hành qua loa hoặc chuyển sang giờ luyện tập, ôn thi [3]. Và vấn đề đang được đặt ra: Làm sao có thể tự tay tạo ra những thiết bị phục vụ cho việc dạy học được tốt hơn, hiệu quả hơn. Nói đến sự phát triển của kĩ thuật hiện đại, đa số chúng ta đều hình dung ngay là sự tăng tốc thần kì của lĩnh vực điện tử và vi tính. Mới ngày nào, kết cấu của những mạch điện cồng kềnh, thì bây giờ tất cả đều được tích hợp thành những mảng chuyên dụng mang nhiều chức năng ngày càng thông minh, độc đáo [1]. Vi điều khiển cũng nằm trong số đó, từ họ vi điều khiển truyền thống 8051 hiện nay đã phát triển thành với 69 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH các họ vi điều khiển 8 bit [4], 16 bit [5], [6] hay thậm chí 24 bit [6] với các họ vi điều khiển xử lí tốc độ cao. Với các tính năng ngày càng được mở rộng, vi điều khiển ngày càng được ứng dụng rộng rãi từ các thiết bị cầm tay cho đến các thiết bị công nghiệp trong các dây chuyền sản xuất tự động, hệ thống đo lường, giám sát,... nơi nào chúng ta cũng đều thấy sự có mặt của vi điều khiển. Trong bài báo này, chúng tôi ứng dụng các mođun của vi điều khiển PIC 16F877A nhằm tạo ra bộ dụng cụ dùng trong đo đạc thời gian và xử dữ liệu phục vụ cho các bài thí nghiệm chứng minh ngay tại lớp học. 2. Dụng cụ đo và xử lí thời gian sử dụng PIC 16F877A Để tạo ra được dụng cụ này, đòi hỏi phải xây dựng từng bước các thành phần điện - điện tử khác nhau và kiểm tra hoạt động của chúng trên Proteus, testboard, cũng như xây dựng chương trình cho vi điều khiển PIC 16F877A. Đây là những bước quan trọng nhất và quyết định đến độ ổn định, tính khả thi của bộ thí nghiệm. Sau khi thử nghiệm trên testboard và mô phỏng trên Proteus, sơ đồ mạch trên Orcard và chương trình giao tiếp cho PIC 16F877A với máy tính sẽ được thiết kế. Mạch in được gia công, các linh kiện sẽ được hàn và kiểm tra hoạt động lần lượt từng bộ phận. Hình 1. Quá trình thực hiện 2.1. Sơ đồ khối Hình 2. Sơ đồ khối dụng cụ đo và xử lí thời gian Sơ đồ khối dụng cụ đo và xử lí thời gian được thể hiện trên hình 2. Dụng cụ bao gồm 6 khối chính, trong đó vi điều khiến PIC 16F877A là khối xử lí trung tâm, 5 khối 70 Năm học 2012 - 2013 còn lại đóng vai trò là các bộ phận ngoại vi truyền tín hiệu thông qua điều khiển PIC 16F877A. 2.2. Khối xử lí trung tâm Hình 3. Lưu đồ chương trình chính Đây là khối đóng vai trò quyết định cho máy đo và xử lí thời gian. Khối xử lí trung tâm hay PIC 16F877A có nhiệm vụ nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và điều khiển chúng. 71 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH Hoạt động PIC 16F877A chịu sự điều khiển của người lập trình qua chương trình được viết sẵn và nạp cho PIC 16F877A (Code_for_pic_16f877a.ccs). Lưu đồ thuật toán PIC 16F877A được thể hiện trên hình 3. Trong chương trình chính code_for_pic_16f877a.ccs, PIC 16F877A khởi tạo chế độ I/O cho các chân, thiết lập hiển thị LCD và giao tiếp RS232 qua cổng COM cho vi điều khiển. Sau đó, PIC 16F877A sẽ hiển thị các bài thí nghiệm trong chương trình vật lí trung học phổ thông. Tùy vào mục đích sử dụng, người dùng sẽ lựa chọn bài thí nghiệm và ứng với mỗi bài thí nghiệm sẽ có những chương trình con tương ứng (con_lac_đơn, roi_tu_do, he_so_ma_sat, cd_thang_deu). 2.3. Bộ định thời ...