Thiết kế dùng Chip vi điều khiển 8051 áp dụng vào đo nhiệt độ của lò

Thiết kế dùng Chip vi điều khiển 8051 áp dụng vào đo nhiệt độ của lò

3 Bộ nhớ dữ liệu RAM : 8KB ( địa chỉ tuỳ chọn )

5 Chơng trình dừng lại và báo động bằng còi khi xảy ra một trong các trờng hợp sau:

cho phép so với giá trị trung bình

hạn MAX, MIN tơng ứng Các giá trị giới hạn MAX, MIN đợc đặt trong 2 ô nhớ của RAM

II Các b ớc tiến hành

1 Chọn bộ vi xử lý (8085 hoặc 8051,) Thiết kế sơ bộ sơ đồ khối

mạch chốt,ADC,Xác định địa chỉ cho các tín hiệu vào /ra Lập bản đồ bộ nhớ

3 Chọn linh kiện Nghiên cứu và chọn chế độ làm việc của linh kiện phù hợp với yêu cầu (logic và vật lý) cho thiết kế ở bớc 2

4 Thiết kế sơ đồ chi tiết cho hệ

Vào năm 1971 tập doàn INTEL đã cho ra đời họ vi xử lý đầu tiên 4004 là vi

xử lý 4 bit Và từ đó đến nay nó liên tục phát triển và nâng cao từ họ vi xử

lý 4 bit đầu tiên đến nay là vi xủ lý 32 bit và 64 bit với tần số xung nhịp

đặc biệt là trong các ngành công nghiệp

Bên cạnh họ vi xử lý, vào năm 1976 INTEL giới thiệu bộ vi điều khiển

(microcontroler) 8748, một chip tơng tự nh các bộ vi xử lý và là chip đầu tiên trong họ vi điều khiển MCS – 48, bao gồm 1 CPU , 1Kbyte EPROM, 64 byte RAM, 27 chân xuất nhập và một bộ định thời 8 bit

Độ phức tạp , kích thớc và khả năng của bộ vi điều khiển đợc tăng lên một bậc quan trọng vào năm 1980 khi INTEL công bố chip 8051, bộ vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS –51 Chip này chứa trên 60000 transistor, bao gồm 4 K byte ROM, 128 byte RAM , 32 dờng xuất nhập, 1 port và 2 bộ định thời 16 bit đây là một số lợng mạch đáng chú ý trong một IC đơn chip Các thành viên mới đựơc thêm vào họ MCS –51 và các biến thể ngày nay gần nh gấp đôi các đặc trng này

Dới sự phát triển mạnh mẽ đó của công nghệ vi xử lý thì việc tìm hiểu nghiên cứu để nắm bắt công nghệ, tìm cách ứng dụng vào thực tế là một công việc quan trọng của sinh vên,những ngời kỹ s tơng lai

Với kiến thức về vi xử lý đợc học trong hai kỳ, có sự tham khảo trong sách vở,

và đặc biệt đợc sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thày giáo em đã hoàn thành

nhiệm vụ thiết kế dùng chip vi điều khiển 8051 áp dụng vào đo nhiệt độ của lò Thông qua bản thiết kế này em đã đợc áp dụng những kiến thức đã học vào công việc thiết kế phần cứng và viết phần mềm cho hệ vi điều khiển

Tuy vậy, đây mới chỉ là phần lý thuyết , em rất muốn thiết kế mạchthật để thấy

đợc phần thiếu sót trong khi thiết kế và lập trình.Nhng do thời gian có hạn cũng

nh kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu xót

Em mong thày cô chỉ bảo và giúp đỡ em

Thiết kế hệ vi điều khiển 8051

I Giới thiệu vi điều khiển 8051.

Là vi xử lý đơn chíp 8 bit đợc sử dụng cho những ứng dụng công nghiệp, đợc hãng intel công bố vào năm 1980

8051 là bộ vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển

MCS –51, với những đặc điểm sau:

 Độ dài từ dữ liệu là 8 bit

 Rất tiện dùng cho hệ điều khiển

 Tập lệnh rất phong phú với 256 lệnh

 ROM bên trong là 4 K

 RAM bên ngoài là 128 byte

 Có 32 đờng vào ra theo hai hớng qua 4port xuất nhập ( I/O port) 8 bit, và có thể địa chỉ riêng từng đờng

 Có 2 bộ định thời 16 bit

 Không gian địa chỉ của ROM & RAM có thẻ đến 64K

 Có 6 nguồn ngắt ,5 vector ngắt với 2 mức u tiên

 Đã có bộ giao động bên trong với tần số 12Mhz

 Có 2 thanh chứa A & B mỗi thanh 8 bit, trong đó B thờng dùng cho phép chia

Sơ đồ khối của chip 8051

8051 có 2 khoảng địa chỉ độc lập cho bộ nhớ chơng trình( ROM ) và bộ nhớ dữ liệu( RAM ) Sự độc lập của bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu cho phép

bộ nhớ dữ liệu đợc xử lí bởi địa chỉ 8 bit Nó có thể đợc lu trữ và thao tác nhanh hơn bởi CPU 8 bit Tuy nhiên địa chỉ 16 bit cũng có thể đợc phát ra thông qua thanh ghi DPTR

Bộ nhớ chơng trình (ROM,EPROM) là bộ nhớ chỉ có đọc Bộ nhớ này có thể lên tới 64Kbyte Trong 8051 4Kbyte thấp nhất của bộ nhớ chơng trình là trên chip.Bộ nhớ ngoài có thể đọc đợc nhờ tín hiệu chốt của chân PSEN

Bộ nhớ dữ liệu RAM độc lập với bộ nhớ chơng trình 128 byte thấp nhất của bộ nhớ dữ liệu trên chip và nó có thể truy nhập đến 64Kbyte ngoài CPU sẽ phát ra các tín hiệu RD và WR cần thiết trong suốt quá trình xử lí bộ nhớ dữ liệu

4 Kbyte ROM trong có thể đợc chọn bởi nối chân EA vào mức 0 (nếu bằng 1 thì ROM ngoài ) Khi truy nhập bộ nhớ ngoài sử dụng cổng P0 và P2 làm 16 đờng vào ra Trong đó P0 làm chức năng Bus địa chỉ và Bus dữ liệu, chân ALE xuất hiện tín hiệu chốt địa chỉ( byte thấp của dịa chỉ 16 bit)

b/ Bộ nhớ dữ liệu :

Bộ nhớ dữ liệu đợc chia thành 4 vùng :

- Vùng 1 :Địa chỉ từ 00H đến 1FH là phần thấp nhất đợc chia thành 4 khối của 8 thanh ghi Các lệnh của chơng trình sẽ gọi các thanh ghi này từ R0 đến R7 Hai bit trong thanh ghi trạng thái (RS0,RS1 ) sẽ lựa chọn khối 4 này

- Vùng 2: Địa chỉ từ 20H đến 2FH bao gồm 16 byte là vùng ô nhớ địa chỉ theo bit

FF

80 7F

30 2F

20 1F 18 17 10 0F 08 07 00

- Vùng 3: Địa chỉ từ 30H đến 7FH làm chức năng thông thờng của bộ nhớ RAM

- Vùng các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR).Có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt chiếm phần trên của RAM nội từ địa chỉ 80H đến FFH

Sơ đồ chân của 8051

II Sơ đồ khối của hệ thống:

b Bộ nhớ chơng trình ROM ( Read Only Memory):

Chỉ có thể đọc số liệu viết trong ROM, không thể viết vào trong quá trình lập trình, khi nguồn nuôi mất thì số liệu trong ROM vẫn còn

ROM đợc dùng để chứa chơng trình điều hành hoặc các chơng trình ứng dụng

“ user’s program”

c Bộ nhớ dữ liệu RAM ( Random Access Memory):

Nghĩa là tại thời điểm bất kỳ ngời dùng cũng có thể viết số liệu vào trong RAM hoặc đọc từ RAM ra bằng lệnh W/R

Khi nguồn nuôi mất thì số liệu trong RAM cũng mất, nh vậy RAM đợc dùng

để chứa số liệu trao đổi giữa hệ vi điều khiển và thiết bị ngoại vi

Các vi mạch vào ra để làm cổng vào ra số liệu, các vi mạch này sẽ trao đổi trực

Các thiết bị ngoại vi trao đổi tín hiệu với vi xử lý trực tiếp qua I/O

Là các sensor đo nhiệt độ để cảm biến nhiệt độ của đối tợng cần đo, thông qua

bộ biến đổi A/D biến các đại lợng tơng tự thành thông tin về nhiệt độ đa vào cổng vào ra I/O để đa vào hệ vi điều khiển xử lý.Bộ hiển thị đèn LED để hiển thị nhiệt độ đo

 Quan hệ về mặt trao đổi thông tin giữa các khối chức năng:

EXTERNAL

INTERNAL FFFFH

EA=0

EXTER NAL

EA=1 INTER NAL

PROGRAM MEMORY DATA MEMORY

Từ ngoại vi , các bộ sensor cảm biến nhiệt độ đầu vào của nó là nhiệt

độ của đối tợng đo, đầu ra là giá trị điện áp biến thiên từ

Vi xử lý định địa chỉ và cất số liệu vào bộ nhớ dữ liệu RAM

III Thiết kế bộ nhớ, cổng vào ra, mạch giải mã, mạch chốt, ADC

1 Thiết kế bộ nhớ:

Hầu hết các bộ vi sử lý(CPU) đều có không gian nhớ chung cho dữ

liệu và chơng trình vì chơng trình thờng đợc lu trữ trên đĩa

và đợc nạp vào RAM để thực thi Vì vậy cả hai dữ liệu và chơng

trình đều đợc lu trú trong RAM

Các chíp vi điều khiển thờng đợc dùng làm thành phần trung tâm trong các

thiết kế hớng điều khiển, trong đó bộ nhớ có dung lợng giới hạn, không có

ổ đĩa và hệ điều hành Chơng trình điều khiển phải thờng trú trong ROM

Do vậy 8051 có không gian nhớ riêng cho chơng trình và dữ liệu Cả hai bộ nhớ này đều đặt bên trong chip

Bộ nhớ chơng trình EPROM

Trong vi điều khiển bộ nhớ chơng trình của nó có 4K byte ROM trong,và

bộ nhớ ngoài EPROM2732 có dung lợng 4K Đây là bộ nhớ lập trình xoá bằng tia cực tím, nó có tốc độ truy nhập rất nhanh, nó có 12 đờng chọn địa chỉ và có 8

đờng ra dữ liệu EPROM chỉ đợc hoạt động khi chân #OE ở mức tích cực thấp,

nó đợc vi điêù khiển chọn làm việc khi chân #CE cũng đợc tích cực thấp EPROM đợc nuôi với mức điện áp 5V, điện áp này đợc đa vào bộ nhớ thông qua

hai đờngtín hiệu yêu cầu đọc viết là #OE, #WE

Sơ đồ chân của RAM

2732

2 Các mạch phụ trợ

a Mạch giải mã 74LS138

Khi muốn có nhiều đầu ra chọn vỏ từ bộ giải mã thì không nên dùng mạch

NAND đơn giản nữa mà nên dùng mạch giải mã đã chế tạo chuẩn

Nó bao gồm 14 chân, trong đó:

0

nhớ 8 KB

A,B,C là 3 đờng địa chỉ vào , tích cực cao

E1 ,E2 là các đầu vào cho phép làm viêc , tích cực ở mức thấp

E3 là các đầu vào cho phép làm viêc , tích cực ở mức cao

E3E2E1

Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0

U174LS138

b Mạch chốt 74HC373

Khi port 0 đợc sử dụng làm bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp Chân ALE của VXL xuất hiện tín hiệu dể chốt địa chỉ, tín hiệu này đợc nối vào đầu vào chốt của vi mạch 74HC373 và tín hiệu địa chỉ đợc chốt ở đây trong 1/2 chu kỳ đầu của bộ

nhớ.Chân port 0 sẽ xuất nhập dữ liệu hợp lệ trong suốt 1/2 chu kỳ còn lại

c Bộ chuyển đổi tơng tự số ADC 0809

Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi tơng sang số 8 bit, bộ chọn kênh và mật bộ logic điều khiển tơng thích Bộ chuyển đổi tơng tự số này sử dụng phơng pháp chuyển đổi xấp xỉ Bộ chọn kênh có thể chọn

ra kênh cần chuyển đổi bằng 3 chân chọn địa chỉ

Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm zero bên ngoài và khả năng điều chỉnh tỉ số làm cho ADC đễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý

- ý nghĩa các chân:

- IN0 – IN7: 8 đầu vào tơng tự

- A,B,C : các tín hiệu chọn kênh

- Các chân 2.1-2.7: là các đầu ra số

- ALE cho phép chốt số liệu đầu vào

- Start: xung cho phép bắt đầu chuyển đổi

- Clk:đầu vào xung clock

- Ref(+): điện áp vào chuẩn +5v

- Ref(-): điện áp vào chuẩn 0

- Vcc: nguồn cung cấp

- Độ phân giải 8 bít

- Điện áp vào 0-5V

- Tần số xung clock 10kHz – 1028 kHz

- Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng

- Không cần điều chỉnh zero hoặc thang đo

• Nguyên lý hoạt động:

Khi có tín hiệu ALE và Start ở mức tích cực nó sẽ chốt tín hiệu ở

đầu vào của kênh đợc chọn bởi 3 chân A,B,C và bắt đầu chuyển đổi trong

xong

Khi có tín hiệu Enable ( OE ) ở mức tích cực sẽ cho phép các thiết

bị có đọc số liệu ở đầu ra

Việc lựa chọn các kênh tuân theo quy luật sau:

A2 A1 A0

test RBI

g f e d c b a

RBOU1

74LS373D7

D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0

U1

Q0ữQ7 là các tín hịu dữ liệu đợc chốt ở đầu ra.

Khi có tín hiệu tích cực thấp vào đầu vào OE thì tín hiệu đợc chốt ở đầu ra Q

E là chân cho phép vi mạch hoạt động Ta nối chân này xuống đất

Nguyên lý hoạt động của vi mạch tơng tự nh trên

f Mạch chốt 7475:

tín hiệu chốt đa vào đầu vào E01.Tín hiệu đầu ra này đợc giữ

lại đến khi có tín hiệu mới đợc chốt tiếp

Ia2 Ia1 Ia0 Ib3 Ib2 Ib1 Ib0

Ya3 Ya2 Ya1 Ya0 Yb3 Yb2 Yb1 Yb0

OEa

OEbU1

74LS75

D3 D2 E23 D1 D0 E01

Q3 Q3

Q2 Q2

Q1 Q1

Q0 Q0

U2

Vi mạch ROM , RAM 8 K nên dùng 13đờng địa chỉ từ A0ữA12

Tiếp theo là mạch vào ra logic 74LS244 đợc bố chí ở vùnh nhớ 6000H,

ADC0809

RAM 8K ROM 8K

FFFF H

6000H 5FFF H

4000H 3FFF H 2000h 1FFF H 0000H

b Lu đồ chơng trình phục vụ ngắt INT 1 để vào số liệu:

c Lu đồ chơng trình phục vụ ngắt ngoài INT 0 (Dừng khẩn cấp)

INT 0

Phuc vu ngat INT0

RETI

d Ngoài ra còn có các lu đồ chơng trình con tạo chễ, chống rung

Ket qua=0?

DELAY

IN Port , compare MASK

Ket qua=0?

False

True True

MOV SP,#5FH; Khởỉ tạo đỉnh stack tại 60H

MOV PSW,#0000.1000B; Làm việc với bank 1

Khoi_tao:

MOV R3,#9; Vòng lặp để đo các kênh

MOV R2,#1; số kênh đo đợc

MOV R0,#00H; Phần thấp địa chỉ chọn kênh đo

INC R0

INC R2

DEC R3

JNZ DATA_INPUT ;Nếu đo cha đủ 8 thì đo tiếp

JZ Khoi_tao ;Nếu đo đủ rồi thì bắt đầu lại từ đầuLJMP END

SUBB A,#8 ; Xem số kênh đo đợc đã đủ 8 cha

JC ĐO ; Nếu cha đủ thì tiếp tục đo

MOVX @DPTR,A ; chuyển số liệu sau khi chuẩn hoá vào địa chỉ ;**** tơng ứng của nó

MOV R4,#00H; R4 chứa byte thấp địa chỉ nhiệt độ đo

MOV R5,#0FH; R5 chứa byte thấp địa chỉ của phần nguyên nhiệt độ

SUBB A,MIN ;So sánh phần nguyên của nhiệt độ với nhiệt độ MIN

JC ALARM ; Nếu nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ MIN thì báo động

MOV 31H,A; PhÇn nguyªn 1(31H)

MOV A,B; D 1A

MOV @DPTR,A ;Cất số thập phân thứ hai vào ô nhớ tiếp

;**** Thực hiện hiển thị nhiệt độ trung bình ****

Repeat 2: MOV DPTR,#2100H

MOV R5,#1000.0000B ; R5 chứa thứ tự sáng của đèn

MOV R6,#0001.0000B ; R6 điều kiện để kết thúc

MOV R7,#125; Số lần lặp lại của hiển thị 4 đèn

Repeat 1:

MOVX A,@DPTR; đầu tiên hiển thị số hàng chục

MOV #PortC,A

MOV A,R5

RL A ;Chuyển hiển thị đến đèn tiếp theo

MOV #Port B,A

;****Phần chơng trình con hiển thị báo nhiệt độ cao của từng kênh****

MOV R6, #50; R6 chứa số lần thực hiện vòng lặp ở ngoài

Tao_tre4:MOV R7,#15 ; R7 chứa số lần thực hiện vòng lặp ở trongTao_tre3:NOP

A B C

D D

C

B

A

Title Number Revision

S ize B

A 1 B 2 C 3 E1 4 E2 5 E3 6

Y0 15Y1 14Y2 13Y3 12Y4 11Y5 10Y6 9Y7 7

74ALS 138

A 1 B 2 C 3 E1 4 E2 5 E3 6

Y0 15Y1 14Y2 13Y3 12Y4 11Y5 10Y6 9Y7 7

U?

74ALS 138

EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16

INT0

12 INT113 T0

14 T115

P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8

P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28

PSEN 29ALE/PTXD 3011 RXD 10

8051

D0

3 Q0 2 D1

4 Q1 5 D2

7 Q2 6 D3

8 Q3 9 D4

13 Q4 12 D5

14 Q5 15 D6

17 Q6 16 D7

18 Q7 19 OE 1 LE 11

74HC373

A0 8 A1 7 A2 6 A3 5 A4 4 A5 3 A6 2 A7 1 A8 23 A9 22 A10 19 A11 21 CE 18 OE/VPP 20

D0 9D1 10D2 11D3 13D4 14D5 15D6 16D7 17

2732

A0 10 A1 9 A2 8 A3 7 A4 6 A5 5 A6 4 A7 3 A8 25 A9 24 A10 21 A11 23 A12 2

CS1

20 CS2

26 WE

27 OE22

D0 11D1 12D2 13D3 15D4 16D5 17D6 18D7 19

8 2-6

1514 2-7 IN-3 1lsb2-8

17 IN-4 2EOC

7 IN-5 3ADD-A

2524 ADD-B IN-6 4ADD-C

23 IN-7 5ALE

22

ref(-) 16ENABLE

9 START

6 CLOCK ref(+) 1210

1Y1 181Y2 161Y3 141Y4 122Y1 92Y2 72Y3 52Y4 31G

1 2G 19

74ALS 244

D0

3 Q0 2 D1

4 Q1 5 D2

7 Q2 6 D3

8 Q3 9 D4

13 Q4 12 D5

14 Q5 15 D6

17 Q6 16 D7

18 Q7 19 OE 1 LE 11

74ALS373

A 1 B 2 C 3 E1 4 E2 5 E3 6

Y0 15Y1 14Y2 13Y3 12Y4 11Y5 10Y6 9Y7 7

8

74LS30

+5

1 3 5 7

JP?

HEADER 8

1 3 5 7

HEADER 8

Port 1.2 Port 1.4

CS 2

Kenh 0 Port Kenh 1 Kenh 2 Kenh 3 Kenh 4 Kenh 5 Kenh 6 Kenh 7

+5 +5