CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA BỘ KIT.
1.1. MỤC ĐÍCH
Kỹ thuật vi điều khiển là môn học cơ bản quan trọng đối với sinh viên
các nghành Điều khiển, Tự động hóa, Điện tử, Tin học v.v… nhằm trang bị
cho sinh viên những kiến thức cần thiết về một họ vi điều khiển, ở đây là họ
8051, như cấu trúc, nguyên tắc hoạt động, cùng các mạch phụ trợ, tập lệnh,
cách lập trình bằng hợp ngữ, các phương thức điều khiển vào ra và các
phương pháp kết nối thiết bị ngoại vi. Dựa trên nền tảng kiến thức của môn
học kỹ thuật vi điều khiển, sinh viên tiếp thu những môn học kỹ thuật chuyên
nghành và tiếp cận dễ dàng hợn với những kỹ thuật, trang thiết bị hiện đại.
Đồng thời cho phép sinh viên có cái nhìn trực quan và kiểm chứng, khẳng
định sự đúng đắn các kiến thức đã học. Do vậy việc đưa vào giáo trình phần
xây dựng thiết kế Kit vi điều khiển là hết sức quan trọng và rất thiết thực đối
với sinh viên chuyên nghành tự động hóa, điện tử, đo lường…Các Kit vi điều
khiển đều được thiết kế dựa trên các họ vi điều khiển mà sinh viên đang học
trong trường. Sinh viên có thể dùng các Kit vi điều khiển này để điều khiển
các quá trình nhiệt độ, điều khiển động cơ, điều khiển các đối tượng giao
thông, điều khiển các quá trình sản xuất…
Trên thế giới có rất nhiều nguồn cung cấp các mạch Kit nói trên như:
Từ các hãng của nước ngoài, ví dụ như bộ KIT MDA-EMS51 của hãng Midas
của Hàn Quốc, KIT và phần mềm phát triển cho họ vi điều khiển PIC của
MikroElektronika (Website hay một
hãng nổi tiếng khác là OLIMEX (Website ) với các
sản phẩm KIT phát triển cho các dòng AVR, PIC, MAXQ, MSP430, ARM…
Đặc điểm của các sản phẩm này là có các tính năng mạnh, mẫu mã đẹp, phục
vụ tốt nhu cầu thực hành của môn học. Tuy nhiên giá thành của thiết bị là rất
đắt (khoảng 700$ MDA-EMS51, và việc đặt mua không thuận tiện).
1
Do các trung tâm nghiên cứu và các trường đại học trong nước tự chế
tạo. Trong các trường đại học, các thiết bị thực hành môn học vi điều khiển có
thể do các giáo viên giảng dạy môn học chế tạo do các sinh viên tự chế tạo
6. IDE-MCS51-DK1S-MATRIX8x8
7. IDE-MCS51-DK1S-DC/STEPMOTOR
8. IDE-MCS51-DK1S-RS232
9. IDE-MCS51-DK1S-ADC/DAC
10.IDE-MCS51-DK1S-LED
11.IDE-MCS51-DK1S-LINE-SENSOR
12.IDE-MCS51-DK1S-PROGRAM
13.IDE-MCS51-DK1S-SUPPLY
14.IDE-MCS51-DK1S-POWER
1.2.3. Các bài thí nghiệm thực hành trên bộ KIT:
Các bài cơ bản: Giúp sinh viên làm quen với hệ lệnh của chip vi điều
khiển, nhập các lệnh, nạp chương trình và chạy xem kết quả thực hiện của các
lệnh đó.
Các bài nâng cao: Gồm các bài thí nghiệm phức tạp hơn thực hiện sử
dụng các thành phần ngoại vi trên bộ KIT. Các bài thí nghiệm thực hiện việc
điều khiển một quá trình tương tự hoặc số, Ví dụ: điều khiển LED 7 SEG,
Matrix LED8x8, Điều khiển vào ra số- tương tự, điều khiển động cơ v.v…
Thực hiện các bài thí nghiệm:
Các bài tập mẫu xây dựng trước: Đi kèm với sản phẩm bộ KIT là một
hệ thống các bài tập mẫu được xây dựng cho các ứng dụng trên bộ KIT như
điều khiển các thành phần ngoại vi của KIT, điều khiển vào/ra tương tự-số…
Sinh viên có thể đọc hướng dẫn sử dụng và thực hiện các bài tập mẫu này trên
bộ KIT.
Các bài tập do sinh viên tự lập trình: Sau khi đã nắm rõ cấu hình của
bộ KIT và sơ đồ bộ nhớ của các thành phần trên bộ KIT, sinh viên có thể tự
lập trình các bài thí nghiệm trên bộ KIT theo ý định của riêng mình.
Công cụ lập trình:
Bằng máy tính PC: Có thể sử dụng ngôn ngữ ASM với trình biên dịch
hợp ngữ sẵn có như: Keil, Reads51, Ride, Prog-Studio,v.v… để lập trình các
chương trình cho bộ KIT từ máy tính bằng ngôn ngữ C, ASM , sau đó biên
bộ KIT từ máy tính. Người sử dụng dùng PC để nạp các chương trình ứng
dụng cho bộ KIT. Chương trình ứng dụng của người sử dụng được nạp cho bộ
KIT từ máy tính thông qua phần mềm nạp đi kèm theo KIT.
Bàn phím: Đây là khối thiết bị đầu vào giao tiếp giữa vi điều khiển và
người sử dụng. Bàn phím cho phép người dùng sử dụng nó để điều khiển hoạt
động của các ứng dụng giải mã bàn phím, nhập thông số cho KIT, hoặc một
số ứng dụng do người dùng sử dụng.
Khối LCD: Màn hình tinh thể lỏng 16x2 (16 ký tự và 2 dòng). Cho
phép hiển thị các thông số cần thiết của các ứng dụng. Hiển thị mã ASCII.
LCD tạo ra sự tiện lợi, thân thiện cho người sử dụng trong làm quen cũng như
thí nghiệm trên KIT.
Khối ADC: Có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện áp tương tự 0 - 5V
thành tín hiệu số 8bit để đưa vào vi điều khiển xử lí. Tín hiệu vào 0-5V có thể
được đưa vào từ bên ngoài thông qua chân cắm hay thông qua công tắc
chuyển mạch để nối các tín hiệu tương tự có sẵn trên KIT nhờ biến trở. Ta có
thể ứng dụng đo nhiệt độ phòng qua cảm biến nhiệt độ …
Khối DAC: Là khối cho phép chuyển đổi tín hiệu số 8 bit thành tín
hiệu tương tự 0-10V đưa ra ngoài, có thể hiển thị được trên máy hiện sóng.
Khối ĐK Động cơ 1 chiều và động cơ bước: Là khối có bộ đệm tầng
khuếch đại để điều khiển động cơ bước và động cơ một chiều. Có bộ đĩa
encoder đếm xung tốc độ quay của động cơ một chiều.
Khối LED 7 SEG: Là khối hiển thị LED 7 thanh, có thể sử dụng để
hiển thị các giá trị theo chương trình ứng dụng của người sử dụng như: Đồng
hồ, Bộ đếm…
Khối LED Matrix(8x8): Là một ma trận LED gồm 8 hàng x 8 cột, tại
một điểm của Matrix LED có 2 đèn với 2 màu xanh và đỏ nếu điều khiển cho
sáng cả hai đèn ta sẽ pha màu thành màu cam.
Khối LED đơn: Là khối gồm 16 LED đơn được bố trí theo ứng dụng
đèn giao thông ngoài ra người sử dụng có thể phát triển điều khiển đèn nháy
theo ứng dụng riêng.
Ở đây ta sử dụng Socket thay cho việc hàn cứng IC lên KIT. Để tiện
cho việc thay đổi IC hay thay đổi chương trình ứng dụng, tránh làm hư hại IC.
Vi điều khiển AT89Cxx với thị trường Hà Nội, và cả khu vực miền Bắc
nói chung ta chọn AT89Cxx là chip dễ dàng mua được, bộ nhớ 4Kbyte đủ cho
các ứng dụng trong lĩnh vực thí nghiệm và nghiên cứu trên KIT. AT89Cxx có
4K Flash ROM làm bộ nhớ chương trình, 128 byte RAM, 32 đường vào ra số,
2 bộ định thời, cấu trúc ngắt 2 mức ưu tiên và 5 nguồn ngắt. Vùng nhớ Flash
ROM có thể nạp và xóa 1000 lần. Vi điều khiển AT89Cxx hỗ trợ tần số làm
việc lên tới 24Mhz. Có chế độ Power Down để tiết kiệm điện năng của hệ
thống tuy nhiên vẫn duy trì nội dung của RAM nhưng không cho mạch dao
động cấp xung vào nhằm vô hiệu hóa các hoạt động khác cho chip cho đến
khi có Reset cứng tiếp theo. Chế độ Idle hay còn gọi là chế độ nghỉ dừng CPU
trong khi vẫn cho phép RAM, các bộ định thời/đếm, port nối tiếp và hệ thống
ngắt tiếp tục hoạt động.
Từ Datasheet của nhà sản xuất Port0 của IC là hở collector. Vì vậy ta
phải có điện trở treo bên ngoài mới có thể sử dụng cho mục đích tải ngoài. Ở
đây ta chọn điện trở treo có giá trị trong khoảng từ 1K- 10K, ở giá trị này
mạch sử dụng tiết kiệm năng lượng nhất. Dòng qua các chân của IC cũng phù
hợp khoảng 0,5mA.
Do thực nghiệm cho thấy khi IC chạy thực tế điện áp mức 1(mức cao)
của IC chỉ khoảng 2,5-3V như vậy với một số ứng dụng yêu cầu cao về mức
tín hiệu thì điện áp này không đủ. Vì vậy ta phải sử dụng IC đệm có chức
năng nâng điện áp đầu ra mà không làm ảnh hưởng tới tín hiệu của IC. IC có
chức năng đệm được dùng phổ biến hiện nay đó là IC 74HC245. Trong đề tài
này chúng em dùng đệm ở các cổng P1,P2 của AT89Cxx và P1,P3 của
AT89Cx051.
Như vậy chúng ta đều có chức năng đệm cũng như không dùng đệm.
Giúp sinh viên có thể thấy sự khác nhau này.1
Cổng BUS giao tiếp với các Modul khác được sử dụng trong đề tài là
PORT 20 chân chống cắm ngược, dùng cáp mềm để nối rất thuận tiện cho
- Tương thích 100 kHz (1.8V, 2.5V, 2.7V) and 400 kHz (5V).
- Chế độ ghi 32 byte/trang .
- Thời gian tự viết chu trình (10ms max).
- Độ tin cậy cao.
- Sự chịu đựng: 1 Triệu lần ghi xóa.
- Duy trì dữ liệu: 100 năm.
- Bảo vệ ESD:>3,000V (Bảo vệ phóng tĩnh điện).
- 8-DIP, 8/14-SOIC, 8-TSSOP.
Hình 2.2.3: Sơ đồ khối bên trong của AT24C64:
Mô tả các chân:
− SERIAL CLOCK (SCL): SCL là đầu vào được sử dụng sườn dương
của dữ liệu xung Clock vào mỗi EEPROM và sườn âm xung clock dữ
liệu ra của thiết bị khác.
− SERIAL DATA (SDA): Là chân trao đổi dữ liệu nối tiếp 2 chiều. Đầu
ra collector hở vì vậy muốn sử dụng trao đổi dữ liệu chân này phải treo
điện trở treo.
− DEVICE/PAGE ADDRESSES (A2, A1, A0): Chân địa chỉ khi không
dùng các chân này được nối với GND.
− WRITE PROTECT (WP): Khi nối GND thì ta có thể ghi đọc bình
thường, Nếu nối chân này Vcc Tất cả các hoạt động ghi vào bộ nhớ đều
bị cấm. Nếu nối dương thì hoạt động ghi bình thường.
SCL: xung clock tác động cạnh xuống cho phép dữ liệu đi ra, tác động
cạnh lên cho phép dữ liệu đi vào.
START: Chân SCL ở mức 1 trong khi SDA có một cạnh xuống thì
được gọi là START.
STOP: Chân SCL ở mức 1 trong khi SDA có một cạnh lên thì được gọi
là STOP.
ACK: là bit dữ liệu tích cực ở mức thấp.
NOACK: là bít dữ liệu tích cực ở mức cao.
Hoạt động của AT24C64:
Cấu Trúc Của RAM
Hình 2.2.4: Sơ đồ cấu trúc của RAM
Tương tự như bộ nhớ ROM, bộ nhớ RAM cũng gồm có một số thanh
ghi. Mỗi thanh ghi lưu trữ 1 từ dữ liệu duy nhất và một dữ liệu duy nhất.Dung
lượng của bô nhớ Ram là 1K,2K ,8K, 16K ,32K, 64K, 128K, 256K, 512K, và
1024K.và từ 72 dữ liệu là 8 hoặc 4 bit.
a. Hoạt động đọc dữ liệu từ Ram
Mã địa chỉ của ô nhớ cần đọc dữ liệu được đưa đến đầu vào địa chỉ cuả
Ram đồng thời đầu tín hiệu điều khiển R/W phải ở mức logic 1 và đầu vào
cho phép(CS) phải ở mức logic1.khi đó dữ liệu mới xuất hiện ở đầu ra dữ
liệu.
Khi R/W=1 sẽ không cho phép bộ đệm đầu vào, do đó dữ liệu đầu vào
không ảnh hưởng gì đến ô nhớ đang truy xuất.
b. Hoạt động ghi dữ liệu lên Ram
Để ghi dữ liệu vào thanh ghi đã được lựa chọn bởi các đầu vào địa chỉ
của bộ nhớ Ram, đòi hỏi đầu vào R/W=0 và CS=1.Tổ hợp hai mức logic này
sẽ cho phép bộ đệm đầu vào để đưa từ dữ liệu (4bit) ở các đầu vào sẽ được
nạp thanh ghi được chọn
Khi R/W ở mức thấp sẽ không cho phép bộ đệm đầu ra và đầu ra ở
trạng thái tổng trở cao (trong lúc ghi dữ liệu). Khi ghi dữ liệu vào ô nhớ thì dữ
liệu trước đó sẽ mất đi .
c. Chip selet (cs)
Hầu hết các bộ nhớ đều có hoặc nhiều đầu vào CS, được dùng để cho
phép hoặc không cho phép bộ nhớ hoạt động trong nhiều trường hợp kết nối
nhiều bộ nhớ. Khi không chọn chip thì IC cho tất cả các đầu vào dữ liệu và
đầu ra dữ liệu ở trạng thái tổng trở cao.
d.Những chân data input-output
Để giảm số chân cho một IC nhà chế tạo kết hợp 2 chức năng data
input và data output thành một chân Input/output, chúng có chức năng của các
chân I/O.Khi hoạt động đọc, các chân I/O hoạt động như là các chân xuất dữ
cổng. Khi một phím được nhấn tương ứng với bit đó được nối GND.
Hình 2.2.6: Các cách nối nút nhấn
Cách 1 là tốt nhất nên dùng, bằng một điện trở kéo lên dương (treo).
Như ở cách 1 khi công tắc đóng chân vào Vi điều khiển được nối GND, khi
công tắc hở chân đó được nối 5V (mức 1). Dùng điện trở 10K thỏa điều kiện
sinh dòng 0,5mA rất tiết kiệm năng lượng.
Ở cách 2 thì đòi hỏi một điện trở kéo xuống GND rất nhỏ. Tuy nhiên
điện áp tại chân Vi điều khiển > 0,9V dòng sinh ra lớn > 1,6mA. Khi công tắc
đóng sẽ tiêu tốn năng lượng (5V/470 = 10mA).
Cách 3 chỉ đảm bảo mức 1 khi công tắc đóng, còn khi công tắc hở mức
logic không xác định rất rễ bị nhiễu.
Từ 3 phương án trên ta chọn phương án thứ nhất (CÁCH 1)
Từ cách chọn này ta có công suất của khối bàn phím.
Ở modul này thì tối đa chỉ có 3 phím được nhấn nên ta có tổng công
suất của modul này là:
P = U.I = 5. 0,5 . 3= 7,5mW
Sơ đồ Board: phụ lục 3.4
2.3.4. Khối hiển thị LCD.
2.3.4.1. Chức năng.
Trong những năm gần đây LCD đang ngày càng được sử dụng rộng rãi
thay thế dần cho các đèn LED, LED 7 đoạn, Do khả năng hiển thị số, ký tự
và đồ họa tốt hơn những cách hiển thị khác, dễ dàng lập trình cho các ký tự đồ
họa.
Vì vậy mà khối hiển thị LCD là một khối rất quan trọng trong bộ KIT
này, nó sẽ giúp thực hiện các bài luyện tập ghép nối LCD với 89C51 và lập
trình hiển thị các số, ký tự và đồ họa trên LCD một các dễ dàng và trực quan.
2.3.4.2. Phân tích yêu cầu lựa chọn linh kiện.
Với mục đích thực hành, thí nghiệm nên khối hiển thị LCD cần có
những yêu cầu sau:
- Kích thước nhỏ gọn.
R
Sử dụng công tắc để bật đèn BL khi cần thiết và biến trở để thay đổi
điện áp V0 điều chỉnh độ tương phản của màn hình hiển thị.
Tổng công suất của khối LCD là:
( )
mW7877772.5PI.UP
BL
=+=+=
Hình 2.2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD
Các chân DB0 đến DB7 được nối với 8 bit tương ứng Px.0 đến Px.7
của vi điều khiển, chân RS được nối vào chân P3.7, chân RW nối với chân
P3.6 và chân CS nối với chân P3.3 của vi điều khiển qua cáp nối 20 chân.
Sơ đồ board: phụ lục 3.5
2.3.5. Khối LED đơn (Mô hình giao thông).
2.3.5.1. Chức năng.
Hiển thị trạng thái logic tại các cổng. Hiển thị các ứng dụng đơn giản
kết hợp với các modul khác như trạng thái Run/Stop hoặc Left/Right. v.v…
Trong phần này hướng thiết kế tạo một mô hình giao thông ngã tư để các bạn
có thể lập trình điều khiển một hệ thống giao thông từ đơn giản là hiển thị
trạng thái các đèn cho đến kết hợp với modul led 7 thanh hiển thị thời gian
cho từng đèn. Hoặc ứng dụng riêng do người dùng phát triển.
2.3.5.2. Thiết kế và tính toán.
Không giống như Diode, LED sáng (Phân cực thuận) sẽ gây sụt áp trên
nó vào khoảng 1,7 ÷ 2,5V tùy màu LED. Và dòng định mức trong khoảng 10
÷ 40 mA. Khi đó ta có mạch điều khiển LED như sau.
Hình 2.2.8: Sơ đồ kết nối LED đơn
Giả sử mạch kết nối với đệm 74HC245 thì có mức logic 0 (từ 0 –
0,4V), và mức1 (từ 4,5 – 5V). Chọn dòng qua LED là 15 mA cho LED thật
sáng và điện áp rơi trên LED là 2V.
Xét hình a: LED sáng khi mức logic tại đầu IN là mức logic 0 vậy điện
1mA do vậy LED sáng rất mờ có thể không sáng.
Ở cách 2, sụt áp trên LED sẽ rất lớn 2V, 3V còn lại sẽ sụt áp trên Vi
điều khiển, gây tổn thất năng lượng lớn, hoặc LED sẽ bị cháy.
Ở cách 1, đây là cách tốt nhất, có điện trở hạn dòng. Trở được tính như
sau sao cho sụt áp trên nó khoảng từ 2V ÷ 2,5V và sụt áp trên Vi điều khiển
0,9V. Từ những tính toán ở trên điện trở hạn dòng cho LED không nên dưới
100Ω (không LED sẽ cháy).
Từ những phân tích và tính toán trên chúng em lựa chọn phương án 1
(Cách 1).
Với modul led đơn thì ta sẽ tính được công suất max mà mạch tiêu thụ
la khi 16 led cung sáng.
Với dòng trên mỗi Led là 20mA và điện áp nguồn là 5V
P = U.I = 5.16.15 = 1,2W
Sơ đồ board: phụ lục 3.6
2.3.6. Khối Led 7 thanh (LED 7-SEG).
2.3.6.1. Chức năng.
Tương tự như LCD dùng để hiển thị các thông số hay đếm xung, đồng
hồ.v.v… Chúng ta còn có LED 7 thanh được cấu tạo từ 7 led đơn xếp thành
hình số 8. Như vậy ta có thể hiện các con số từ 0 đến 9, hay hiển thị một số
chữ cái đơn giản.
2.3.6.2. Tính toán và thiết kế.
Như vậy ta có điện áp cung cấp cho LED 4V điện áp rơi trên LED 1,7
đến 2V như vậy điện trở hạn dòng cho từng led khoảng 150Ω đến 330Ω. Nếu
ta nối 1 điện trở hạn dòng cho toàn bộ 8 LED tại đầu Anot hoặc Catot chung
thì điện trở được tính như sau:
Do mỗi LED cần 15mA để LED sáng bình thường
Suy ra 8 LED có dòng tổng như sau: 8x15mA = 120mA.
Vậy giá trị điện trở đó được tính như sau:
Ω=
−
thị. Vì tất cả các cột đều được điều khiển bởi ngõ ra của 74LS164, hàng điều
khiển bởi các cổng ra của Vi điều khiển, có dòng ra rất thấp. Do đó để đủ
dòng cấp cho LED ta phải thiết kế mạch khuếch đại công suất cho LED
Hình 2.2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch Led Matrix
Tính toán cho led ma trận. Ta có phương trình sau:
Copyright: Tài liệu đại học ©