Thiết kế mô phỏng mạch hiển thị trên led ma trận dùng vi điều khiển pic16f887

Mục đích nghiên cứu của đồ án Đồ án : “Thiết kế mô phỏng mạch hiển thị trên led ma trận dùng vi điều khiểnpic16f887” giúp người thực hiện đề tài những vấn đề sau: - Thông qua việc thực h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG

KHOA: KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ

-HOÀNG NGỌC HÙNG

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH HIỂN THỊ TRÊN LED MA

TRẬN DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F887

ĐỒ ÁN 1 Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG

KHOA: KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ

-HOÀNG NGỌC HÙNG

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH HIỂN THỊ TRÊN LED MA

TRẬN DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F887

ĐỒ ÁN 1 Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: NGUYỄN VĂN QUYẾT

Phú Thọ, 2023

MỤC LỤC

PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU 1

1.Lý do chọn đề tài 1

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

2.1 Đối tượng nghiên cứu 2

2.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài 2

3 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu 3

3.1 Mục tiêu nghiên cứu 3

3.2 Mục đích nghiên cứu của đồ án 3

PHẦN II: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN DỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Giới thiệu chung về LED ma trận 3

1.1.1 Khái niệm chung về mạch LED ma trận 3

1.1.2 Cấu trúc LED ma trận 5

1.1.3 Ưu thế của đèn LED ma trận trong hiển thị thông tin 7

1.2 Khái quát chung về vi điều khiển 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH HIỂN THỊ LED MA TRẬN BẰNG PHẦN MỀM PROTEUS VÀ PIC16F887 17

2.1 Thiết kế sơ đồ khối 17

2.2 Lựa chọn thiết bị 18

2.2.1 Vi điều khiển PIC 16F887 18

2.2.2 Ma trận LED 19

2.2.3 IC giải mã hàng, IC đệm dòng, điện trở thanh 20

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 22

3.1 Giới thiệu phần mềm dùng mô phỏng và phần mềm lập trình 22

3.1.1 Phần mềm mô phỏng Proteus 22

3.1.2 Phần mềm lập trình PIC CCS 25

3.2 Kết quả lập trình và mô phỏng 26

3.2.1 Kết quả lập trình 26

3.2.1 Lưu đồ thuật toán 30

3.2.2 Chương trình nạp cho vi điều khiển 31

3.2.3 Kết quả hiển thị 33

3.3 Đánh giá chung về kết quả 34

PHẦN III: KẾT LUẬN 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Bảng quảng cáo hiển thị bằng LED ma trận 4

Hình 2 Bảng hiển thị số và chữ bằng LED ma trận màu đỏ 5

Hình 3 Bảng quảng cáo bằng led ma trận sử dụng nhiều màu sắc 5

Hình 4 Sơ đồ khối LED ma trận 5

Hình 5 Sơ đồ chân của bảng LED ma trận 8x8 6

Hình 6 Mô tả quá trình hiển thị và cho chạy chữ A trên bảng LED 8x8 7

Hình 7 Hiển thị bằng màn hình LCD 8

Hình 8 Hiển thị bằng LED ma trận và LED dây 9

Hình 9 Hiển thị bằng LED đơn và màn hình LED 9

Hình 10 Mô hình tổng quát của một vi điều khiển theo kiến trúc Harvard 12

Hình 11 Cấu trúc chung của vi điều khiển 14

Hình 12 Sơ đồ khối của mạch hiển thị dòng chữ chạy bằng LED ma trận 17

Hình 13 Cấu trúc bên trong của vi điều khiển 18

Hình 14 Hình ảnh vi điều khiển PIC16F887 19

Hình 15 Hình ảnh trên mô phỏng protues LED MATRIX-8X8-RED 20

Hình 16 Sơ đồ chân và hình ảnh thực của IC 74HC595 21

Hình 17 Hình dạng phần mềm Protues 23

Hình 18 Các kiểu dữ liệu của phần mềm PIC-C 26

Hình 19 Chương trình báo không có lỗi sau khi đã kiểm tra 29

Hình 20 Lưu đồ thuật toán mạch led ma trận dùng PIC 16F887 30

Hình 21 Hiển thị chữ “ KHOAKITHUATCONGNGHE” 33

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Thông số các chức năng chính của PIC16F887 19

Bảng 2 Chức năng của các chân của IC 74HC595 21

PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU 1.Lý do chọn đề tài

Ngày nay khi nhu cầu về thông tin quảng cáo rất lớn , việc áp dụng cácphương tiện kĩ thuật mới vào các lĩnh vực trên là rất cần thiết Cùng với các ngànhcông nghiệp sản xuất, chiếu sáng là một nhu cầu cấp thiết cho sự phát triển kinh tế cũngnhư cuộc sống hàng ngày của bất cứ quốc gia nào trên toàn thế giới Chiếu sáng đòi hỏimột công nghệ hết sức phức tạp và nguồn năng lượng rất lớn

Trong những năm gần đây, rất nhiều giải pháp đã được đưa ra cho công nghệ chiếu sángvới tiêu chí chủ đạo là Tiết kiệm điện năng và Bảo vệ môi trường Nổi lên trong cácgiải pháp, việc sử dụng công nghệ LED tỏ ra vượt trội trong việc thỏa mãn tiêu chí ấy,

nó

đem lại một số ưu điểm như sau:

- Tiết kiệm điện năng so với việc sử dụng bóng đèn chiếu sáng truyền thống nhưđèn sợi đốt, đèn Halogen, đèn huỳnh quang, đèn compact, … 100% phù hợp khithay thế và lắp đặt dễ dàng

- Thân thiện với môi trường, giảm lượng khí thải CO2, tối thiểu hóa lượng rác thải

ra môi trường do đèn LED có tuổi thọ rất cao trung bình dài gấp 10 đến 20 lầncác loại bóng đèn chiếu sáng thông thường và không sử dụng thủy ngân

- An toàn cho người sử dụng, giảm nguy cơ cháy nổ, nâng cao hiệu suất làm việccủa điều hòa không khí do đèn LED phát nhiệt rất thấp trong quá trình làm việc

- Chất lượng ánh sáng thân thiện, tối thiểu hóa tia cực tím và bức xạ hồng ngoại,không nhấp nháy, không gây nhức mỏi mắt

Với những ưu điểm đó, công nghệ LED đang đi vào cuộc sống thông qua nhiềuhình thức sản phẩm đa chủng loại như đèn chiếu sáng sử dụng các LED phát ánh sángtrắng LED cũng được dùng để làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện, điện tử, đènquảng cáo, trang trí, đèn giao thông

Trong chiếu sáng đô thị, việc sử dụng đèn LED cho sự đồng đều và hiệu quả chiếusáng cao trên mặt đường tạo sự thoải mái và tăng khả năng quan sát cho người tham giagiao thông vào ban đêm

Mặt khác hệ thống đèn LED cho độ sáng trên vỉa hè tăng vượt trội do chỉ số hoànmàu cao của đèn LED (CRI 70) so với CRI 25 của đèn Natri cao áp thông thường.Tuyến đường sử dụng đèn LED với chỉ số hoàn màu cao ngoài việc giúp tăng khả năngquan sát còn tạo bộ mặt mới cho thẩm mỹ đường phố vào ban đêm…

Công nghệ LED đã được sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển trên thế giới vàmang lại lợi ích vô cùng to lớn, nhưng ở Việt Nam ứng dụng này còn khá hạn chế.Theo các nhà nghiên cứu, trước hết cần có các biện pháp nhằm sớm chuyển đổi thịtrường chiếu sáng công nghệ truyền thống sang chiếu sáng bằng công nghệ LED Hơn lúc nào hết chúng ta cần tăng cường đào tạo nhân lực trình độ cao, phát triểnnghiên cứu công nghệ và đặc biệt là nâng cao nhận thức về lợi ích của việc sử dụng đènchiếu sáng LED đến đông đảo người dùng thông qua truyền thông, quảng bá Mặc dùvẫn còn khá mới mẻ song cùng với tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh chóng như

hiện nay, trong tương lai không xa, đèn LED sẽ trở thành nguồn sáng chiếm ưu thế,được ứng dụng rộng rãi trong các hoạt động chiếu sáng tại Việt Nam, góp phần đạt cácmục tiêu chung về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

Khi bạn đến các nơi công cộng, bạn dễ dàng bắt gặp những áp phích quảngcáo điện tử chạy theo các hướng khác nhau với nhiều hình ảnh và màu sắc rất ấntượng

Từ yêu cầu của môn học kĩ thuật vi xử lý và thực tiễn như trên, em quyết

định chọn đề tài cho đồ án 1 là: “Thiết kế mô phỏng mạch hiển thị trên led ma trận

dùng vi điều khiển pic16f887”

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Tìm hiểu về LED ma trận và các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch hiển thịtrên led ma trận dùng vi điều khiển pic16f887, phần mềm Proteus

2.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài

- Nghiên cứu LED ma trận, PIC 16f887

- Dùng phần mềm Proteus để thiết kế, mô phỏng hoạt động của mạch hiển thịtrên led ma trận dùng vi điều khiển pic16f887

3 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu

3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng thành công hiển thị trên led ma trận dùng vi

điều khiển pic16f887 bằng proteus

3.2 Mục đích nghiên cứu của đồ án

Đồ án : “Thiết kế mô phỏng mạch hiển thị trên led ma trận dùng vi điều khiểnpic16f887” giúp người thực hiện đề tài những vấn đề sau:

- Thông qua việc thực hiện đề tài giúp ôn lại những kiến thức đã học, rèn luyệnđúng nghề, cách thiết kế mạch thực tế, …

- Tạo cho người thực hiện có những ý tưởng mới, giải quyết các vấn đề một cáchhiệu quả nhất

- Mô phỏng được mạch mà bản thân đã tự thiết kế dựa trên phần mềm mô phỏngProteus

PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN DỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung về LED ma trận

1.1.1 Khái niệm chung về mạch LED ma trận

Mạch hiển thị LED ma trận là một loại mạch điện tử được sử dụng để hiển thịcác thông tin trên một màn hình LED ma trận Một màn hình LED ma trận bao gồmmột số lượng lớn đèn LED được sắp xếp thành một ma trận, trong đó mỗi LED đạidiện cho một điểm ảnh

Mạch hiển thị LED ma trận thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏihiển thị các thông tin đơn giản như chữ, số, biểu tượng hoặc hình ảnh nhỏ Chúngthường được sử dụng trong các bảng thông báo, các bảng đồng hồ hiển thị hoặc cácsản phẩm quảng cáo

Hình 1 Bảng quảng cáo hiển thị bằng LED ma trận

Các loại mạch hiển thị LED ma trận thường có khả năng điều khiển các LEDđộc lập hoặc nhóm các LED theo một cách cụ thể để tạo ra các thông tin hiển thị khácnhau Chúng có thể được điều khiển bằng một bộ vi xử lý hoặc các phần mềm điềukhiển khác để tạo ra các hiệu ứng hiển thị động hoặc tùy chỉnh hiển thị theo yêu cầu.Mạch hiển thị LED ma trận là một giải pháp hiệu quả và tiết kiệm năng lượng để hiểnthị các thông tin đơn giản Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng côngnghiệp, thương mại và giải trí

Về màu sắc bảng LED ma trận có màu sắc khá đa dạng Có loại bảng LED 10chỉ có một màu, có loại phối hai màu, phối 3 màu hoặc phối màu trong từng LED đơn

để cho ra những LED có màu sắc sặc sỡ, bắt mắt Đặc biệt là công nghệ chế tạo mànhình LED cho chúng ta những màn hình lớn với màu sắc, âm thanh khá trung thực.Màn hình LED cỡ lớn là loại màn hình sử dụng công nghệ đèn LED siêu sáng, điểmảnh là các LED đơn có độ sáng cao, độ bền lâu Màn hình LED có các LED đơn cànggần nhau thì độ nét càng cao Khi lựa chọn, lắp đặt chúng ta cần phải căn cứ vào nhucầu sử dụng để lựa chọn cho phù hợp Đối với màn hình LED lắp cho quảng cáo cótầm nhìn xa và có độ cao, không yêu cầu quá cao về độ nét thì chỉ cần chọn loại mànhình có các điểm sáng thưa, giảm được chi phí Đối với LED dùng cho mục đíchchuyên dụng như sân khấu, hội nghị…thì nên dùng màn hình LED có độ nét cao nghĩa

là có các điểm sáng dầy hay khoảng cách các LED đơn gần nhau Màn hình LED lớngiúp cho việc cập nhật thông tin một cách thường xuyên, nhanh chóng, kích cỡ mànhình LED có thể điều chỉnh tùy mục đích sử dụng, màu sắc và độ sáng của LED dễgây chú ý, dễ quan sát

Mạch hiển thị LED ma trận thường được chia thành hai loại chính: loại đơn vàloại đa màu sắc Loại đơn chỉ hiển thị một màu sắc duy nhất, thường là màu đỏ hoặcxanh Loại này được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng đòi hỏi hiển thị các thôngtin đơn giản như số hoặc chữ.

Hình 2 Bảng hiển thị số và chữ bằng LED ma trận màu đỏ

Loại đa màu sắc có thể hiển thị nhiều màu sắc khác nhau bằng cách sử dụngnhiều LED có màu sắc khác nhau để tạo ra các hiệu ứng màu sắc động Loại nàythường được sử dụng trong các ứng dụng giải trí, như các bảng điện tử hiển thị thôngtin trên sân vận động hoặc các sản phẩm quảng cáo

Hình 3 Bảng quảng cáo bằng led ma trận sử dụng nhiều màu sắc

1.1.2 Cấu trúc LED ma trận

KHỐI RTC

KHỐI ĐIỀU KHIỂN

KHỐI VI

XỬ LÝ KHỐI HIỂN

THỊ

KHỐI NGUỒN

Hình 4 Sơ đồ khối LED ma trận

Dựa trên nguyên tắc như quét màn hình, ta có thể thực hiện việc hiển thị matrận đèn bằng cách quét theo hàng và quét theo cột Mỗi Led trên ma trận LED

có thể coi như một điểm ảnh Tại mỗi thời điểm chỉ có trạng thái của một điểmảnh được xác định Tuy nhiên khi xác định địa chỉ và trạng thái của điểm ảnhtiếp theo thì các điểm ảnh còn lại sẽ chuyển về trạng thái tắt (nếu LED đangsáng thì sẽ tắt dần) Vì thế để hiển thị được toàn bộ hình ảnh của ma trận đèn, ta

có thể quét ma trận nhiều lần với tốc độ quét rất lớn, lớn hơn nhiều lần thờigian kịp tắt của đèn Mắt người chỉ nhận biết được tối đa 24 hình/s do đó nếutốc độ quét rất lớn thì sẽ không nhận ra được sự thay đổi nhỏ của đèn mà sẽ thấyđược toàn bộ hình ảnh cần hiển thị

Bảng LED ma trận có hai loại: loại có các cột là chân Anode, các hàng là chânCathode và ngược lại loại có các hàng là chân Anode còn các cột là chân Cathode.Trong thực tế khi đóng vỏ sự phân bố các hàng và cột không theo thứ tự, do đó cần tìmhiểu kỹ thực tế để mắc mạch đúng Để giảm số lượng các đường điều khiển, trong các

ma trận LED các LED đơn được nối chung với nhau theo hàng và cột Như vậy sốlượng LED đơn trên ma trận LED là a x b, số lượng ngõ ra bằng tổng số hàng và cột là

a + b

Hình 5 Sơ đồ chân của bảng LED ma trận 8x8.

Để tạo được hiệu ứng chữ chạy trên bảng LED ta sử dụng thủ thuật là quét vàhiển thị một hình ảnh trong một thời gian nhất định, sau đó ta dịch dữ liệu của các cộtsang trái một vị trí, khi đó ta sẽ tạo được hiệu ứng chữ chạy trên bảng LED

Lấy ví dụ bảng LED 8x16, sử dụng 16 byte RAM làm bộ đệm cho màn hình,lưu giá trị dữ liệu hàng của 10 cột Bộ đệm được khai báo trong RAM nội của vi điềukhiển là một mảng gồm 11 phần tử Chương trình hiển thị làm nhiệm vụ đọc dữ liệu từcác vị trí 0 đến 16 của bộ đệm và đưa ra màn hình hiển thị Hiệu ứng chữ chạy đượctạo ra bằng cách dịch giá trị các phần tử đi một vị trí (10 ->9, 9 ->8, 8 ->7, 7->6…)Saumỗi lần dịch ta lại gọi chương trình hiển thị Khi đó trên bảng LED ta sẽ quan sát đượchiệu ứng chữ chạy

Hình 6 Mô tả quá trình hiển thị và cho chạy chữ A trên bảng LED 8x8 1.1.3 Ưu thế của đèn LED ma trận trong hiển thị thông tin

Để hiển thị thông tin bằng thiết bị điện tử thì có nhiều phương án để lựa chọn.Hai phương án phổ biến hiện nay là dùng đèn LED ma trận hoặc màn hình LCD

Việc hiển thị bằng màn hình LCD thường được sử dụng trong nhà với kíchthước màn hình không quá lớn Các màn hình LCD thường có sẵn với các kích cỡkhác nhau được quy định bởi các nhà sản xuất, không thể thay đổi kích cỡ của nó, việc

sửa chữa phức tạp, điện năng tiêu thụ khá lớn Việc sử dụng màn hình LCD phù hợp

để hiển thị các hình ảnh động nhiều màu sắc tại các vị trí mang tính công cộng hoặctrong các mạch điều khiển tự động có hiển thị số liệu, thông tin Đối với việc thiết kếcác biển hiệu, bảng quảng cáo, bảng thông tin điện tử hoặc màn hình sân khấu lớn thì

ưu thế kém hơn so với dùng đèn LED bởi giá thành cao, tốn điện, độ linh động khôngcao và hình ảnh kém bắt mắt Dưới đây là một ví dụ về hiển thị bằng màn hình LCD

Hình 7 Hiển thị bằng màn hình LCD

Hiện nay chúng ta thấy việc hiển thị bằng đèn LED đang dần chiếm ưu thế Cóthể kể ra một số lí do khiến cho việc sử dụng đèn LED trở nên phổ biến: có thể tạo rabảng điện tử với kích thước tùy ý với nhiều thiết kế khác nhau từ đơn giản đến phứctạp, điện năng tiêu thụ ít, tuổi thọ cao, dễ lắp đặt trong nhà và ngoài trời tại các nơicông cộng, độ linh động cao, thuận tiện cho sửa chữa

Đối với việc hiển thị bằng LED cơ bản có ba phương án để lựa chọn Phương

án thứ nhất là dùng LED đơn với việc điều khiển đơn giản, hình ảnh hiển thị cũng đơngiản, việc tạo ra hiệu ứng chữ chạy hoặc thay đổi thông tin cần hiển thị còn rất hạnchế Phương án thứ hai là dùng LED dây LED dây chủ yếu dùng để trang trí biểnhiệu, trang trí nội thất, sân khấu…Đối với hai phương án vừa nêu, thông tin cần hiểnthị thường cố định, khi muốn thay đổi chúng ta buộc phải tháo mạch và lắp lại.Phương án thứ ba là dùng LED ma trận để tạo ra các bảng tin, bảng chữ chạy…vớiviệc điều khiển được thực hiện bởi các vi điều khiển Phương án này có độ linh độngcao, có thể tạo ra các bảng thông tin kích cỡ đa dạng với các hiệu ứng chữ chạy, thayđổi thông tin theo điều khiển 5 của lập trình hoặc trình chiếu video và giá thành không

quá cao Phương án này đang trở nên phổ biến và chiếm ưu thế nổi trội khi thiết kế cácbiển quảng cáo, biển hiệu, bảng thông tin.

Hiện nay có nhiều loại LED ma trận được sản xuất để đáp ứng nhu cầu của củangành quảng cáo: loại đơn sắc, đa sắc, loại phân giải cao, phân giải thấp, loại dùngtrong nhà, loại dùng ngoài trời Đối với ma trận LED đơn sắc thì mỗi điểm ảnh chỉ có

1 đèn LED loại 1 màu (đỏ, xanh, vàng ) Ma trận LED đa sắc mỗi điểm ảnh có thể có

2 hoặc 3 đèn LED có màu khác nhau hoặc 1 đèn LED có thể hiển thị được nhiều màu

Từ các bảng LED nhỏ người ta có thể tạo ra các màn hình LED với kích cỡ lớn.Trên thị trường đã có những màn hình LED full color có thể trình chiếu videos khôngkém những loại màn hình khác, đặc biệt màn hình LED có ưu thế hơn là có thể đểngoài trời và độ sáng mạnh rõ nét

Dưới đây là một ví dụ về hiển thị bằng đèn LED:

Hình 8 Hiển thị bằng LED ma trận và LED dây

Hình 9 Hiển thị bằng LED đơn và màn hình LED 1.2 Khái quát chung về vi điều khiển

Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sửdụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống baogồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đanăng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đunvào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số Vi điều khiểnthường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng Nó xuất hiện khá nhiều trong cácdụng 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…

Về cơ bản khái niệm vi điều khiển và vi xử lý không khác nhau nhiều Vi xử lý

là thuật ngữ chung dùng để đề cập đến kỹ thuật ứng dụng các công nghệ vi điện tử,công nghệ tích hợp và khả năng xử lý theo chương trình vào các lĩnh vực khác nhau.Vào những giai đoạn đầu trong quá trình phát triển của công nghệ vi xử lý, các vi xử lý(hay chip) được chế tạo chỉ tích hợp những phần cứng thiết yếu như CPU cùng cácmạch giao tiếp giữa CPU và các phần cứng 15 khác Trong giai đoạn này, các phầncứng khác (kể cả bộ nhớ) thường không được tích hợp trên chip mà phải ghép nốithêm bên ngoài Các phần cứng này được gọi là các ngoại vi (Peripherals) Về sau, nhờ

sự phát triển vượt bậc của công nghệ tích hợp, các ngoại vi cũng được tích hợp vàobên trong IC và người ta gọi các vi xử lý đã được tích hợp thêm các ngoại vi là các viđiều khiển

Bộ vi xử lý có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tínhtoán, xử lý, và thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiệuquả đối với các bài toán và hệ thống lớn Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, tầm tínhtoán không đòi hỏi khả năng tính toán lớn thì việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc Bởi

vì hệ thống dù lớn hay nhỏ, nếu dùng vi xử lý thì cũng đòi hỏi các khối mạch điện giaotiếp phức tạp như nhau Các khối này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chương trìnhthực hiện, các mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập và điều khiển trở lại, các khốinày cùng liên kết với vi xử lý thì mới thực hiện được công việc Để kết nối các khốinày đòi hỏi người thiết kế phải hiểu biết tinh tường về các thành phần vi xử lý, bộ nhớ,các thiết bị ngoại vi Hệ thống được tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian,mạch in phức tạp và vấn đề chính là phụ thuộc nhiều vào trình độ người thiết kế Kếtquả là giá thành sản phẩm cuối cùng rất cao, không phù hợp để áp dụng cho các hệthống nhỏ

Vì một số nhược điểm trên nên các nhà chế tạo tích hợp một số bộ nhớ và một

số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một mạch tích hợp duy nhất được gọi

là vi điều khiển (Microcontroller) Vi điều khiển có khả năng tương tự như khả năngcủa vi xử lý, nhưng cấu trúc phần cứng dành cho người dùng đơn giản hơn nhiều Viđiều khiển ra đời mang lại sự tiện lợi đối với người dùng, họ không cần nắm vững mộtkhối lượng kiến thức quá lớn như người dùng vi xử lý, kết cấu mạch điện dành chongười dùng cũng trở nên đơn giản hơn nhiều và có khả năng giao tiếp trực tiếp với cácthiết bị bên ngoài Vi điều khiển tuy được xây dựng với phần cứng dành cho người sửdụng đơn giản hơn, nhưng thay vào lợi điểm này là khả năng xử lý bị giới hạn (tốc độ

xử lý chậm hơn và khả năng tính toán ít hơn, dung lượng chương trình bị giới hạn).Thay vào đó, vi điều khiển có giá thành rẻ hơn nhiều so với vi xử lý, việc sử 16 dụngđơn giản, do đó nó được ứng dụng rộng rãi vào nhiều ứng dụng có chức năng đơngiản, không đòi hỏi tính toán phức tạp

Hầu hết các vi điều khiển ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc Harvard.Cụm từ kiến trúc Harvard được dùng để chỉ những kiến trúc máy tính mà trong đóphân biệt rõ ràng bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình, chúng có những đườngtruyền (bus) riêng để truy cập vào bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình Kiến trúc

này định nghĩa bốn thành phần cần thiết của một hệ thống nhúng Những thành phầnnày là lõi CPU, bộ nhớ chương trình, bộ định thời và các cổng vào/ra để giao tiếp vớicác thiết bị ngoại vi và các môi trường bên ngoài - tất cả các khối này được thiết kếtrong một vi mạch tích hợp Như vậy, các vi điều khiển được xây dựng dựa trên kiếntrúc Harvard có bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm riêng biệt, do đó CPU cóthể làm việc trực tiếp với cả hai bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình cùng một lúc,tốc độ xử lý sẽ nhanh hơn.

Hình 10 Mô hình tổng quát của một vi điều khiển theo kiến trúc Harvard

Chúng ta có thể dùng vi điều khiển để thiết kế bộ điều khiển cho các sản phẩm,

ví dụ như:

- Trong các sản phẩm dân dụng: Nhà thông minh (cửa tự động, khóa số, tự độngđiều tiết ánh sáng thông minh), điều khiển các thiết bị từ xa (qua điều khiển,qua tiếng vỗ tay, ), điều tiết hơi ẩm, điều tiết nhiệt độ, điều tiết không khí, gió,

hệ thống vệ sinh thông minh,

- Trong quảng cáo: Các loại biển quảng cáo nháy chữ, quảng cáo ma trận LED(một màu, 3 màu, đa màu), điều khiển máy cuốn bạt quảng cáo,

- Các máy móc dân dụng: Máy điều tiết độ ẩm cho vườn cây, buồng ấp trứnggà/vịt, đồng hồ số, đồng hồ số có điều khiển theo thời gian

- Các sản phẩm giải trí: Máy nghe nhạc, máy chơi game, đầu thu kỹ thuật số…

- Trong các thiết bị y tế: Máy móc thiết bị hỗ trợ: máy đo nhịp tim, máy đođường huyết, máy đo huyết áp, điện tim đồ, điện não đồ, máy chụp chiếu…

- Các sản phẩm công nghiệp: trong hầu hết các dây chuyền tự động

Bộ vi điều khiển đầu tiên xuất hiện vào năm 1976 khi Intel giới thiệu bộ vi điềukhiển (microcontroller) 8748, một chip tương tự như các bộ vi xử lý và là chip đầu tiêntrong họ MCS-48 Độ phức tạp, kích thước và khả năng của vi điều khiển tăng thêmmột bậc quan trọng vào năm 1980 khi Intel tung ra vi điều khiển 8051, bộ vi điềukhiển đầu tiên của họ MCS-51 và là chuẩn công nghệ cho nhiều họ vi điều khiển đượcsản xuất sau này Sau đó rất nhiều họ vi điều khiển của nhiều nhà chế tạo khác nhaulần lượt được đưa ra thị trường với tính năng được cải tiến ngày càng mạnh

Các họ vi điều khiển thông dụng có thể kể đến là:

- Họ vi điều khiển 8051: Intel 8051 là họ vi điều khiển đơn tinh thể kiến trúcHarvard, lần đầu tiên được sản xuất bởi Intel năm 1980, để dùng trong các hệthống nhúng Tuy nhiên hiện tại đã cũ và được thay thế bằng các thiết bị hiệnđại hơn, với các lõi phối hợp 8051, được sản xuất bởi hơn 20 nhà sản xuất độclập Tên gọi chính thức của họ vi điều khiển Intel 8051 - MCS 51 Những viđiều khiển Intel 8051 được sản xuất với việc dùng công nghệ MOSFET, nhữngphiên bản sau có chứa kí hiệu “C” trong tên (như 80C51), dùng công nghệCMOS và yêu cầu công suất thấp hơn trước

- Họ vi điều khiển AVR: AVR là một kiến trúc Harvard sửa đổi 8-bit RISC đơnchip được phát triển bởi Atmel vào năm 1996 Các AVR là một trong những họ

vi điều khiển đầu tiên sử dụng on-chip bộ nhớ flash để lưu trữ chương trình, tráivới One-Time Programmable ROM, EPROM hoặc EEPROM được sử dụng bởi

vi điều khiển khác vào lúc đó Trong số những thành viên đầu tiên của dòngAVR là AT90S8515, đóng vỏ trong gói 40-pin DIP có chân ra giống như một viđiều khiển 8051, bao gồm địa chỉ BUS multiplexed bên ngoài và dữ liệu Tínhiệu RESET đã đổi ngược, 8051 RESET mức cao, AVR RESET mức thấp),nhưng khác với đó, chân ra là giống hệt nhau

- Họ vi điều khiển PIC: PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi 18công ty MicrochipTechnology Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triểnbởi Microelectronics Division thuộc General Instrument Ngày nay rất nhiềudòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn (nhưUSART, PWM, ADC ), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word.Tất cả các hoạt động trong các vi điều khiển được thực hiện ở tốc độ cao và kháđơn giản, nhưng vi điều khiển chính nó sẽ không được thật sự hữu ích nếu không cómạch đặc biệt làm cho nó hoàn thiện Cấu trúc chung của một vi điều khiển có một số

bộ phận chính như hình :

Hình 11 Cấu trúc chung của vi điều khiển

Trong đó các thành phần chính được mô tả như sau:

- Read Only Memory (ROM): Read Only Memory (ROM) là một loại bộ nhớđược sử dụng để lưu vĩnh viễn các chương trình được thực thi Kích cỡ củachương trình có thể được viết phụ thuộc vào kích cỡ của bộ nhớ này ROM cóthể được tích hợp trong vi điều khiển hay thêm vào như là một chip gắn bênngoài, tùy thuộc vào loại vi điều khiển Nếu ROM được thêm vào như là mộtchip bên ngoài, các vi điều khiển là rẻ hơn và các chương trình có thể tồn tại lâu

hơn đáng kể Nhưng đồng thời, làm giảm số lượng các chân vào/ra để vi điềukhiển sử dụng với mục đích khác ROM nội thường là nhỏ hơn và đắt tiền hơn,nhưng lá ghim thêm có sẵn để kết nối với môi trường ngoại vi.

- Random Access Memory (RAM) là một loại bộ nhớ sử dụng cho các dữ liệulưu trữ tạm thời và kết quả trung gian được tạo ra và được sử dụng trong quátrình hoạt động của bộ vi điều khiển Nội dung của bộ nhớ này bị xóa một khinguồ cung cấp bị tắt

- Electrically Erasable Programmable ROM (EEPROM) là một kiểu đặc biệt của

bộ nhớ chỉ có ở một số loại vi điều khiển Nội dung của nó có thể được thay đổitrong quá trình thực hiện chương trình (tương tự như RAM), nhưng vẫn còn lưugiữ vĩnh viễn, ngay cả sau khi mất điện (tương tự như ROM) Nó thường đượcdùng để lưu trữ các giá trị được tạo ra và được sử dụng trong quá trình hoạtđộng (như các giá trị hiệu chuẩn, mã, các giá trị để đếm, v.v ), mà cần phảiđược lưu sau khi nguồn cung cấp ngắt Một bất lợi của bộ nhớ này là quá trìnhghi vào là tương đối chậm

- Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR): Thanh ghi chức năng đặc biệt (SpecialFunction Registers) là một phần của bộ nhớ RAM Mục đích của chúng đượcđịnh trước bởi nhà sản xuất và không thể thay đổi được Các bit của chúng đượcliên kết vật lý tới các mạch trong vi điều khiển như bộ chuyển đổi A/D, modultruyền thông nối tiếp,…Mỗi sự thay đổi trạng thái của các bit sẽ tác động tớihoạt động của vi điều khiển hoặc các vi mạch

- Bộ đếm chương trình (PC: Program Counter): Bộ đếm chương trình chứa địachỉ chỉ đến ô nhớ chứa câu lệnh tiếp theo sẽ được kích hoạt Sau mỗi khi thựchiện lệnh, giá trị của bộ đếm được tăng lên 1 Vì lý do đó nên chương trình chỉthực hiện được được từng lệnh trong một thời điểm

- Central Processor Unit (CPU): Đây là một đơn vị có nhiệm vụ điều khiển vàgiám sát tất cả các hoạt động bên trong vi điều khiển và người sử dụng khôngthể tác động vào hoạt động của nó Nó bao gồm một số đơn vị con nhỏ hơn,trong đó quan trọng nhất là: