BÀI 24. KHÁI QUÁT VỀ VI ĐIỀU KHIỂN

PHẦN I. CÁC CÂU HỎI TRONG SGK

KHỞI ĐỘNG

CH: Bên trong khoá cửa thông minh (Hình 24.1) có một vi điều khiển. Theo em, vi điều khiển đóng vai trò gì trong khoá thông minh này?

I. GIỚI THIỆU

KHÁM PHÁ

CH: Vi điều khiển được coi là một máy tính thu nhỏ trong một mạch tích hợp. Quan sát Hình 24.2 và cho biết những thành phần nào của máy tính cá nhân được thu nhỏ vào vi điều khiển? Những thành phần nào không được thu nhỏ vào vi điều khiển?

LUYỆN TẬP

CH: Hãy chỉ ra một ứng dụng của vi điều khiển trong thiết bị điện gia dụng.

II. SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN

1. Sơ đồ chức năng

KHÁM PHÁ

CH: Hình 24.4 minh hoạ quá trình hoạt động của một khoá thông minh. Theo em, vi điều khiển cần có những khối chức năng nào để thực hiện hoạt động này?

LUYỆN TẬP

CH: Một vi điều khiển được dùng để điều khiển LED nhấp nháy theo chu kì thay đổi. Hãy cho biết LED cần được kết nối với cổng vào hay cổng ra của vi điều khiển.

VẬN DỤNG

CH: Một vi điều khiển có CPU hoạt động ở tần số 1MHz.

1. Một xung nhịp của CPU có chu kì bao nhiêu giây?

2. Biết vi điều khiển cần 100 xung nhịp để hoàn thành một câu lệnh, tính thời gian cần thiết để thực hiện câu lệnh.

3. Biết vi điều khiển được lập trình để điều khiển bật và tắt LED thông qua hai câu lệnh khác nhau, tính tần số nhấp nháy tối đa của LED.

PHẦN II. 5 PHÚT GIẢI BÀI

KHỞI ĐỘNG

CH: Vi điều khiển trong một khoá cửa thông minh thường đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các chức năng của khoá. Nó có thể được sử dụng để điều khiển việc mở và đóng cửa, gửi tín hiệu cho các cảm biến để kiểm tra trạng thái của cửa (như cửa đã được mở hay đóng), và kết nối với các thiết bị khác như điện thoại thông minh hoặc hệ thống nhà thông minh qua Wi-Fi hoặc Bluetooth.

I. GIỚI THIỆU

KHÁM PHÁ

CH: Thành phần của máy tính cá nhân được thu nhỏ vào vi điều khiển:

+ CPU

+ Bộ điểu khiển vào/ra

+ Bộ nhớ Rom

+ Bộ đếm thời gian

LUYỆN TẬP

CH: Ứng dụng của vi điều khiển trong lò vi sóng:

Vi điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành lò vi sóng, thực hiện các chức năng sau:

- Điều khiển công suất: Vi điều khiển điều chỉnh mức công suất của magnetron dựa trên cài đặt người dùng, đảm bảo thực phẩm được nấu chín đều và chính xác.

- Hẹn giờ: Vi điều khiển tính toán thời gian nấu dựa trên cài đặt người dùng, tự động tắt lò khi hết thời gian.

- Điều chỉnh chương trình: Vi điều khiển cho phép người dùng lựa chọn các chương trình nấu nướng được cài đặt sẵn cho các loại thực phẩm khác nhau, giúp đơn giản hóa quá trình sử dụng.

- Hiển thị thông tin: Vi điều khiển điều khiển màn hình hiển thị, cung cấp thông tin cho người dùng về thời gian nấu, mức công suất, chương trình nấu, v.v.

- Bảng điều khiển: Vi điều khiển xử lý tín hiệu từ bảng điều khiển, bao gồm nút bấm, núm xoay và màn hình cảm ứng, cho phép người dùng điều khiển lò vi sóng.

- Khóa an toàn: Vi điều khiển kích hoạt khóa an toàn để ngăn trẻ em sử dụng lò vi sóng mà không có sự giám sát của người lớn.

II. SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN

1. Sơ đồ chức năng

KHÁM PHÁ

CH: Vi điều khiển cần có những khối chức năng sau để thực hiện hoạt động này:

1. Khối chức năng xử lý trung tâm (CPU):

- Là bộ não của vi điều khiển, chịu trách nhiệm xử lý các lệnh, tính toán và điều khiển hoạt động của các khối chức năng khác.

- Cần có hiệu suất cao để xử lý nhanh chóng dữ liệu vân tay và các tín hiệu khác.

2. Khối chức năng bộ nhớ:

- Lưu trữ dữ liệu vân tay đã được quét và so sánh, các cài đặt của khóa, chương trình điều khiển, v.v.

- Cần có dung lượng bộ nhớ đủ lớn để lưu trữ lượng dữ liệu vân tay cần thiết.

3. Khối chức năng giao tiếp:

- Giao tiếp với cảm biến vân tay để nhận dữ liệu vân tay, giao tiếp với cơ cấu chấp hành để mở khóa, giao tiếp với người dùng thông qua màn hình hiển thị hoặc đèn LED.

- Cần có các giao thức truyền thông phù hợp với các thiết bị ngoại vi khác nhau.

4. Khối chức năng quản lý nguồn:

- Cung cấp năng lượng cho các khối chức năng khác, quản lý nguồn điện hiệu quả để kéo dài thời gian sử dụng pin.

- Cần có khả năng điều chỉnh mức tiêu thụ điện năng dựa trên trạng thái hoạt động của khóa.

5. Khối chức năng bảo mật:

- Bảo vệ dữ liệu vân tay và các cài đặt của khóa khỏi truy cập trái phép.

- Cần có các thuật toán mã hóa và xác thực mạnh mẽ để đảm bảo an toàn cho khóa.

LUYỆN TẬP

CH: LED cần được kết nối với cổng ra (output pin) của vi điều khiển.

VẬN DỤNG

CH: 1. Chu kỳ của một xung nhịp CPU:

Tần số CPU được đo bằng đơn vị Hertz (Hz), biểu thị số chu kỳ xung nhịp trong một giây. Do đó, chu kỳ của một xung nhịp CPU có thể được tính bằng công thức sau:

Chu kỳ = 1 / Tần số

Trong trường hợp này, CPU hoạt động ở tần số 1 MHz, tương đương 1.000.000 Hz. Vậy, chu kỳ của một xung nhịp CPU là:

Chu kỳ = 1 / 1.000.000 Hz = 0.000001 giây = 1 µs (micro giây)

2. Thời gian cần thiết để thực hiện một câu lệnh:

Vi điều khiển cần 100 xung nhịp để hoàn thành một câu lệnh. Do đó, thời gian cần thiết để thực hiện một câu lệnh có thể được tính bằng công thức sau:

Thời gian = Chu kỳ * Số xung nhịp

Thay số vào công thức, ta được:

Thời gian = 1 µs/xung nhịp * 100 xung nhịp = 100 µs

Vậy, cần 100 micro giây để vi điều khiển thực hiện một câu lệnh.

3. Tần số nhấp nháy tối đa của LED:

Giả sử vi điều khiển được lập trình để điều khiển bật và tắt LED thông qua hai câu lệnh khác nhau. Để LED nhấp nháy, vi điều khiển cần thực hiện luân phiên hai câu lệnh này liên tục.

Tần số nhấp nháy tối đa của LED phụ thuộc vào thời gian cần thiết để thực hiện hai câu lệnh (bật và tắt LED) và thời gian chờ (nếu có) giữa hai lần bật/tắt LED.

Giả sử không có thời gian chờ giữa hai lần bật/tắt LED, ta có thể tính tần số nhấp nháy tối đa như sau:

Tần số nhấp nháy = 1 / (Thời gian thực hiện 1 câu lệnh * 2)

Thay số vào công thức, ta được:

Tần số nhấp nháy = 1 / (100 µs/câu lệnh * 2) = 5.000 Hz

Vậy, tần số nhấp nháy tối đa của LED là 5.000 Hz, tương đương 5.000 lần bật/tắt LED mỗi giây.