Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
MỤC LỤC
CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ
Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều
khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu
suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với
các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương
tự sang số, Ở máy tính thì các mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài.
Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất hiện khá nhiều
trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa
phương tiện, dây chuyền tự động, v.v.
Trong thời đại của chúng ta với cuộc cách mạng khoa học và kỹ thuật như vũ bão thì Kỹ thuật
đo lường nói chung là nhân tố quyết định cho quá trình nghiên cứu và sản xuất. Cho đến nay sự
phát triển của khoa học kỹ thuật đang ở giai đoạn thay thế cho các quá trình lao động chân tay bằng
các quá trình sản xuất tự động hoá một phần hoặc toàn phần. các máy móc làm việc hoàn toàn tự
động cho khả năng giảm lao động trong quá trình sản xuất và làm tăng nhảy vọt năng suất lao
động. Con người không gắn liền với máy móc, thiết bị mà chỉ đóng vai trò kiểm tra và hiệu chỉnh
khi cần thiết. Quá trình sản xuất tự nó tiến hành nhờ có sự kiểm tra, điểu khiển và điều chỉnh được
thực hiện tự động. Đó thực chất là một qúa trình đo lường liên tục. Con người ở đây chỉ làm nhiệm
vụ quan sát trông coi và giải quyết các hư hỏng gặp phải. Không nằm ngoài tiến trình phát triển
chung của khoa học công nghệ, kỹ thuật đo lường nói chung và kỹ thuật đo lường công suất điện
nói riêng cũng đã và đang phát triển để đáp ứng những nhu cầu mà thực tiễn đặt ra.
Hiện nay hầu hết các các thiết bị trên thế giới chạy bằng năng lượng điện, điện ngày càng đóng
vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của xã hội, đó là điều không thể phủ nhận. Chính vì thế
việc đo, giám sát công suất tiêu thụ điện của các thiết bị điện là tất yếu. Nó chính là cơ sở để tính
giá thành điện cũng như đóng vai trò quan trọng trong quá trình đo lường giám sát hệ thống điện
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
1
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
hay thiết bị điện, việc này có ý nghĩa hết sức quan trọng cho quá hoạt động của hệ thống điện và
đảm bảo sự an toàn cho máy móc thiết bị cũng như người vận hành. Vì vậy một ứng dụng của vi

là trực tiếp hoặc gián tiếp.
Yêu cầu đối với các dụng cụ đo dòng điện:
Khi đo dòng điện ta phải mắc nối tiếp Ampemet với dòng điện cần đo. Ampe mét này lấy một
phần năng lượng của mạch cần đo, gây sai số phương pháp cho phép. Phần năng lượng này còn
còn gọi là công suất tiêu thụ của Ampemet, được tính:
P
A
= I
A
2
.R
A
Trong phép đo dòng điện thì P
A
càng nhỏ càng tốt, tức là yêu cầu R
A
càng nhỏ càng tốt.
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
3
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
Khi đo dòng điện xoay chiều, điện trở của ampemet còn chịu ảnh hưởng của tần số(X
L
=
ω
.L:phần trở kháng của cuộn dây). Để bảo đảm cấp chính xác của dụng cụ đo, người ta thiết kế các
dụng cụ đo dòng xoay chiều ở các miền tần số sử dụng nhất định. Nếu sử dụng dụng cụ đo ở
những miền tần số khác thiết kế thì sẽ gây sai số do tần số.
b.Một số thiết bị đo đại lượng điện
Các ampemet xoay chiều:
Để đo dòng điện xoay chiều ở miền tần số công nghiệp ta thường dùng các ampemet điện từ,

từ.
Sai số do tần số của các ampemet điện từ và điện động ở tần số vài Khz đến vài chục Khz khá
lớn. Vì vậy để đo dòng điện âm tần người ta thường dùng các ampemet điện từ chỉnh lưu.
Ampemet chỉnh lưu:
Là ampemet kết hợp cơ cấu chỉ thị tù điện và mạch chỉnh lưu bằng diode hoặc chỉnh lưu bằng
cặp nhiệt điện nhiệt ngẫu.
Chỉnh lưu dòng điện theo nửa chu kì hay 2 nửa chu kì. Nói chung các ampemet chỉnh lưu,
chính xác không cao vì hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ, trong đó khi nhiệt độ thay đổi điện
trở thuận và điện trở ngược của diode thay đổi không như nhau(cụ thể khi nhiệt độ tăng, điện trở
ngược của diode giảm nhiều hơn điện trở thuận) dẫn đến hệ số chỉnh lưu sẽ giảm.
2.2.Các phương pháp và thiết bị đo điện áp
a.Phương pháp đo
Đo điện áp bằng phương pháp so sánh:
+Cơ sở của phương pháp so sánh: Phương pháp này là đem điện áp cần đo so sánh với điện áp
rơi trên điện trở mẫu. Phương pháp này còn gọi là phương pháp bù.
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
5
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lí đo điện áp bằng phương pháp so sánh
+Nguyên lí: U
k
=I.R
k
U
k
là điện áp mẫu chính xác cao được tạo bởi dòng điện ổn định chạy qua điện trở mẫu chính
xác R
k
Chỉ thị là thiết bị từ động phát hiện sự chênh áp ∆U=U
x

13
)12(
NN
NNC
−
−
N1: Số xung răng cưa trong khoảng thời gian ∆t1
N2: là số xung chuẩn qua timer trong khoảng thời gian ∆t2
N3:số xung từ bộ so sánh qua bộ vi xử lí trong thời gian ∆t1
C: hệ số phụ thuộc vào tính chất của dụng cụ đo và đơn vị đo điện áp
Ưu điểm:Của phương pháp này là thang đo không đổi, có thể hiệu chỉnh điểm “không” và điểm
cực đại của dải đo, sự không ổn định của các thông số các phần tử của mạch(theo thời gian hay
nhiệt độ) không ảnh hưởng đến độ chính xác của dụng cụ đo…
2.3. Một số phương pháp đo công suất
Công suất và năng lượng là các đại lượng cơ bản của phần lớn các đối tượng, quá
trình và hiện tượng vật lý. Vì vậy việc xác định công suất và năng lượng là một phép đo rất phổ
biến. Việc nâng cao độ chính xác của phép đo đại lượng này có ý nghĩa rất to lớn trong nền kinh tế
quốc dân, nó liên quan đến việc tiêu thụ năng lượng, đến việc tìm những nguồn năng lượng mới,
đến việc tiết kiệm năng lượng.Công suất cũng như năng lượng có mặt dưới nhiều dạng khác nhau
đó là: năng lượng điện, nhiệt cơ, công suất, phát xạ tuy nhiên quan trọng nhất vẫn là việc đo công
suất và năng lượng điện, còn các dạng năng lượng khác cũng thường được đo bằng phương pháp
điện. Dải đo của công suất điện thường từ
20
10
−
W đến
10
10
W. Công suất và năng lượng điện
cũng cần phải được đo trong dải tần rộng từ không (một chiều) đến

thuần điện trở tức là, khi cos
ϕ
= 1.
Khi tính toán các thiết bị điện để đánh giá hiệu quả của chúng, người ta còn sử dụng khái niệm
công suất phản kháng. Đối với áp và dòng hình sin thì công suất phản kháng được tính theo :
Q = U.I.sin
ϕ
Trong trường hợp chung nếu một quá trình có chu kỳ với dạng đường cong bất kỳ thì công
suất tác dụng là tổng các công suất của các thành phần sóng hài.
P =
k
k 1
P
∞
=
∑

=
k k
k 1
U .I . cos
ϕ
∞
=
∑
Hệ số công suất trong trường hợp này được xác định như là tỉ số giữa công suất tác
dụng và công suất toàn phần: K
p
=
P

Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
8
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
Nếu
12
dM
d
α
= const thì:
α = s.U.I. cos(
ϕ
-
γ
).cos
γ
Từ biểu thức trên thấy số chỉ của watmet tỉ lệ với công suất khi γ = 0 hoặc khi γ =
ϕ
Điều kiện thứ nhất γ = 0 có thể đạt được bằng cách tạo ra cộng hưởng điện áp trong mạch
song song (ví dụ bằng cách mắc tụ C song song với điện trở RP). Nhưng cộng hưởng chỉ giữ được
khi tần số không đổi, còn nếu tần số thay đổi thì điều kiện γ = 0 bị phá vỡ.
Sai số góc: khi γ ≠ 0 thì watmet đo công suất với một sai số β γ gọi là sai số góc:
β γ =
P’ P
P
−
=
cos( ) cos
cos
ϕ γ γ
ϕ

một điốt bán dẫn như hình 10.2. Watmet có hai điện trở trong mạch dòng là R
S1
= R
S2
có giá trị của
nhỏ hơn rất nhiều so với tổng trở tải Z
L
và hai điện trở R
3
và R
4
trong mạch áp. Các điện trở R
3
và
R
4
thực hiện vai trò của mạch phân áp vì vậy (R
3
+ R
4
) lớn hơn rất nhiều điện trở tải Z
L
.
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
9
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
Hình 2.4 Mạch nguyên lý của 1 wamet chỉnh lưu điện tử với mạch bình phương
Điện áp rơi trên các điện trở sun R
S1
= R

Khi đặc tính của các điốt như nhau và làm việc trên vôn.ampe (dòng tỉ lệ với bình phương điện
áp): i
1 =
β.
2
1
u
= β.(k
2
u + k
1
i)
2
i
2 =
β.
2
2
u
= β.(k
2
u - k
1
i)
2
Dòng qua cơ cấu chỉ thị sẽ là:
i
ct
= (i
1

2
] = k.u.i
với k = 4k
1
.k
2.

ct
R
r
. β
giả sử u = U
m
sin ωt, i = I
m
sin(ωt ± ϕ) thì dòng đi qua cơ cấu chỉ thị từ điện sẽ là dòng trung
bình tỉ lệ với công suất tác dụng:
i
ct
=
T
0
1
k.u.i.dt
T
∫
=
T
0
k

chuẩn f
0
=
0
1
T
Ở đầu ra của điều chế ĐRX có các xung với độ rộng t
i
= k.u
i
, tín hiệu này sẽ được
đặt vào bộ điều chế biên độ xung BĐX và được điều chế biên độ bằng tín hiệu u
u
(t).
Khi T
0
→ 0 thì diện tích của mỗi xung ở đầu ra của bộ điều chế biên độ tỉ lệ với công suất tức
thời :
S(t) = u
u
t
i
= k u
u
.u
i

Hình 2.5 Watmet theo phương pháp điều chế độ rộng xung với điều chế biên độ xung
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
11

Nhóm thứ nhất được sử dụng khi ít nhiễu hay tỷ số giữa tín hiệu trên nhiễu lớn
Nhóm thứ 2 được sử dụng khi tín hiệu nhiễu lớn hay tỷ số giữa tín hiệu trên nhiễu nhỏ
-Trong hệ thống điện,một thông số rất được quan tâm đó là hệ số công suất cosφ. Để đo cosφ ta
có nhiều phương pháp.Ta có thể đo φ đẻ suy ra hệ số công suất hay hay ngược lại .
Có thể đo hệ số cosφ bằng phương pháp gián tiếp,sử dụng công cụ watmet,vônmet và
ampemet,sau đó tính ra cosφ bằng cosφ = . Phương pháp này độ chính xác thấp vì sai sso phép
đo bằng tổng sai số của cả 3 dụng cụ đo.
Một số phương pháp đo góc lệch pha:
Đo góc lệch pha bằng phương pháp biến đổi thẳng (đo trực tiếp )
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
12
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
Fazomet điện động:
Dụng cụ để đo góc pha và hệ số cosφ là FaZomet. Thông thường nhất là dụng cụ sử dụng cơ
cấu chỉ thị logomet điện động ở mạch song song cuộn động 1 được mắc nối tiếp với 1 cuộn cảm L1
dòng đi qua cuộn dây là I1 cuộn hai được mắc nối tiếp với điện trở R2 nên dòng điện I2 trùng pha
với điện áp U.theo công thức của cơ cấu ghi chỉ thị logomet điện động ta có:
f(α)=
Ta tìm cách cho I1=I2 ta suy ra: α=φ
Như vậy độ lệch pha của cơ cấu được xác định bởi góc φ
Nhược điểm: của loại Fazomet này là nó chỉ được tính cho một cấp điện áp.Nếu thay đổi điến
áp thì phải thay đổi R1 và điện cảm L2 do đó mà đãn đến thay đổi góc β.Ngoài ra còn phụ thuộc
vào tần số vì mạch có cuộn cảm
Để mở rộng thang đo vè dòng người ta nguwoif ta có thẻ phân cuộn tĩnh ra thành nhiều phần
khác nhau mắc nối tiếp hoặc song song ta sẽ thu được sẽ thu được các cấp điện áp khác nhau
Fazomet điện tử
Nó dựa trên việc biến dổi góc lệch pha trực tiếp thành dòng hay áp.để đo góc lệch pha giữa hai
tín hiệu hình sin.ta thực hiện theo sơ đồ (a) sau:
a b
Hình 2.6 Sơ đồ và góc của Fazomet điện tử

( Reduced Instruction Set Computer ). Với kiểu kiến trúc này cho phép các lệnh thực thi trong một
chu kỳ xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt 16 triệu lệnh trên giây ở tần số 16MHz.
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
Gãc pha

V§K
ATmega16
LCD
PhÝm bÊm
Khèi m¹ch
chuÈn ho¸
U,I
15
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
AVR ATmega16 cho phép người thiết kế có thể tối ưu hoá mức độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn bảo
đảm tốc độ xử lý.
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc của AVR ATmega16.
AVR ATmega16 có 32 thanh ghi làm việc đa năng. Toàn bộ 32 thanh ghi này đều được nối
trực tiếp với bộ xử lý số học logic ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép truy nhập vào 2 thanh
ghi độc lập trong một chu kỳ xung nhịp. Kiến trúc đạt được có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần vi
điều khiển dạng CISC thông thường
Các đặc tính cua ATmega 16
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
16
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
Hình 3.2. Sơ đồ chân AVR ATmega16
•Được chế tạo theo kiến trúc RISC tiên tiến nên hiệu suất làm việc cao, điện năng tiêu thụ thấp.
•Bộ lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều thực thi chỉ trong một chu kỳ xung nhịp.
•32
×

tiếp 2 chiều hướng byte, bộ biến đổi ADC, SRAM, Timer/Counter, các port SPI và ngắt hệ thống
hoạt động.
- Chế độ giảm bớt điện năng ( Power-Down ):
Trong chế độ giảm bớt điện năng, nội dung thanh ghi vẫn được bảo vệ nhưng bộ tạo dao động,
các chức năng khác của chíp không hoạt động cho đến khi xuất hiện ngắt ngoài tiếp theo hoặc reset
phần cứng.
- Chế độ tiết kiệm điện ( Power-Save ):
Trong chế độ tiết kiệm điện, bộ định thời không đồng bộ vẫn hoạt động cho phép người dựng
sử dụng làm cơ sở hoạt động cho toàn hệ thống mặc dù thiết bị đang trong chế độ ngủ.
- Chế độ giảm nhiễu ADC ( ADC Noise Reduction ):
Trong chế độ giảm nhiễu ADC, CPU và tất cả các module I/O đều không hoạt động trừ bộ định
thời không đồng bộ và bộ biến đổi ADC, để làm giảm đến mức tối thiểu nhiễu chuyển mạch trong
suốt quá trình biến đổi của ADC.
- Chế độ chờ ( Standby ):
Ở chế độ chờ, thạch anh/bộ tạo dao động vẫn hoạt động trong khi đó toàn hệ thống ở trạng thái
ngủ. Nó cho phép hệ thống thực hiện quá trình khởi động nhanh với mức tiêu thụ điện áp thấp.
- Chế độ chờ mở rộng ( Extended Standby ):
Ở chế độ chờ mở rộng, cả bộ tạo dao động chính và bộ định thời không đồng bộ vẫn tiếp tục
hoạt động.
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
18
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
Các chân tín hiệu của bộ vi xử lý dùng để đưa tín hiệu vào hay xuất tín hiệu ra. Nó bao gồm 3
BUS chính: BUS địa chỉ, BUS dữ liệu, BUS điều khiển nhưng thông thường được phân thành các
nhóm cụ thể như sau:
•Nhóm các chân nguồn cấp: để đưa các nguồn nuôi cho bộ vi xử lý.
- Chân 10 VCC nối +5V.
- Chân 11 GND nối đất.
•Nhóm chân dữ liệu, địa chỉ (trạng thái): các tín hiệu này thường là 3 trạng thái, trong đó địa
chỉ là tín hiệu ra, còn dữ liệu thì cả 2 chiều. Một số bộ vi xử lý dựng một số chân để truyền cả tớn

19
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
- Port D (PD7 PD0): gồm các chân từ 14
÷
21.
Port D là một cổng vào/ra 2 chiều 8 bits với các điện trở treo bên trong (dành riêng cho mỗi
bit). Các bộ đệm ra của port D có đặc điểm hướng đối xứng với cả chế sink ( ) và chế độ nguồn
(source). Khi là đầu vào, các chân tín hiệu port D được đặt vào mức tích cực thấp sẽ cấp dòng khi
các điện trở treo hoạt động. Cỏc chõn tớn hiệu của port D là ba trạng thỏi khi cú một trạng thỏi
reset được kích hoạt, ngay cả khi bộ phát xung clock không chạy.
- Chân Reset (chân 9): reset đầu vào. Một mức tích cực thấp đặt lên chân này dài hơn chiều dài
xung nhỏ nhất sẽ kích hoạt một trạng thái reset, ngay cả khi bộ phát xung clock không chạy.
Những xung ngắn hơn không đảm bảo cho việc kích hoạt một trạng thái reset.
- Chân XTAL1 (chân 13): là đầu vào của bộ khuếch đại phát xung ngược và là đầu vào của
mạch điều khiển bộ phát xung clock bên trong.
- Chân XTAL2 (chân 12): là đầu ra của bộ khuếch đại phát xung ngược.
- Chân AVCC (chân 30): là chân nguồn cấp cho port A và bộ biến đổi ADC. Nó có thể nối
ngoài với VCC ngay cả khi bộ biến đổi ADC không được sử dụng. Nếu bộ biến đổi ADC không
được sử dụng thì nó có thể nối với VCC qua một bộ lọc thông thấp.
- Chân AREF (chân 32): là chân tham chiếu tương tự cho bộ biến đổi ADC.
3.3 Khối phím bấm
Giải thích sơ đồ khối phím bấm:Việc sử dụng bàn phím ở đây dựa trên sự chênh áp khi ấn các
phím, điện áp được đưa về chip vđể xử lý. Như vậy việc dựa vào giá trị điện áp đưa vào chân
chúng ta hoàn toàn có thể nhận biết được chúng ta đang bấm phím nào.
Các tụ điện có giá trị 104 dùng để chống rung phím bấm.Như chúng ta đã biết phím bấm là 1
tiếp điểm cơ khí, do đó khi bấm thì các tiếp điểm sẽ không tiếp xúc với nhau một cách hoàn
toàn.Như vậy tín hiệu ra sẽ gián đoạn, vi điều khiển sẽ dễ dàng bi nhận nhầm là phím được bấm
nhiều lần.
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
20

Bít dữ liệu 2
7 DB0 Đất H/L
8 DB0 Đất H/L
9 DB0 Đất H/L
10 DB0 Đất H/L
11 DB0 PB.4 H/L Bit dữ Liệu 3
12 DB0
PB.5
H/L Bit dữ Liệu 4
13 DB0
PB.6
H/L Bit dữ Liệu 5
14 DB0
PB.7
H/L Bit dữ Liệu 6
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
22
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
15 0 V (Ground)
16 5 V nguồn cấp cho đèn backlight.
3.5 Mạch nguồn
Do nhu cầu sử dụng nguồn điện 12v ,-12v cho mạch nên chúng em đã thiết kê modul nguồn
như hình vẽ . Điện áp xoay chiều qua cầu diode , sau đó qua các IC ổn áp 7812, 7805 rồi đến các
khối lọc ,chỉnh lưu thì ta thu được điện áp một chiều cung cấp nguồn nuôi cho khối mạch trung
tâm và khâu chuẩn hoá U.I
Hình 3.6 : Sơ đồ mạch nguồn
3.6 Khối mạch chuẩn hóa U,I và mạch tạo góc pha
3.6.1 Mạch chuẩn hóa điện áp
Mạch chuẩn hóa điện áp có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 0 – 100V thành điện áp 1
chiều từ 0 – 10V

1
CRpR
R
CpR
g
g
pCg
g
g
pCg
K
+
=
+
=
+
=
+
=
Vậy hàm truyền đạt của mạch lọc bao gồm:
1
2
0
R
R
K =
2.2 1
1
2.2.1
1

2
2
2
2
2
=+⇒ CR
ω

msCR 2,2
70.14,3.2
11
.
22
===⇒
ω
Nhóm đồ án 1 GVHD: Bùi Thị Duyên
24
Đồ án: Thiết kế đồng hồ kỹ thuật số dùng Atmega 16
Ta phải chọn R
2
, C
2
phù hợp với công thức trên
Chọn R
1
= R
2
= 33 KΩ
,
C