Chế tạo thiết bị thí nghiệm vi điều khiển sử dụng chip vi điều khiển at89s8252
Trang 1CHE TAO THIET BI THi NGHIEM VI DIEU KHIEN
SU’ DUNG CHIP VI DIEU KHIEN AT89S8252
MANUFACTURING TESTING EQUIPMENT FOR MICROCONTROLLER SYSTEMS USING MICROCONTROLLER AT89S8252
LE TAN DUY - LÊ TIỀN DŨNG
Dai học Đà Nang
TOM TAT
Bài báo đề xuất phương án chế tạo một thiết bị thí nghiệm với đầy đủ các thành phần cơ bản
của một hệ vi điều khiển và các ngoại vi, trên đó có thể thực hiện các bài thí nghiệm từ cơ
bản đến nâng cao, đáp ứng được yêu cầu thí nghiệm môn học "Kỹ thuật Vi điều khiển", phù
hợp với chương trình đào tạo ở các trường đại học, cao đẳng ở nước ta Đi kèm với sản
phẩm phần cứng là các chương trình phần mềm cho phép người sử dụng lập trình thực hiện các bài thí nghiệm từ bàn phím của thiết bị hoặc từ trên máy vi tính kết nối với thiết bị
ABSTRACT
The article proposes a method to manufacture testing equipment with complete elements of a microcontroller system and peripheral devices, in which users can experiment exercises from fundamental to advanced levels, satisfying the requirements of testing for “Microcontroller Technology” subject in accordance with the training curricula of many universities, colleges in VietNam Enclosed with the equipment are software allowing the users to program experimental exercises using the equipment keyboard or the computers connected with the equipment
1 Dat van dé
Môn học Kỹ thuật Vi xử lý, Kỹ thuật Vi điều khiển là môn học căn bản quan trọng đối
với sinh viên các ngành Tự dong - Do lường, Điện tử, Tin học Dựa trên nền tảng của môn
học Kỹ thuật Vi xử lý, Kỹ thuật Vi điều khiên, sinh viên sẽ tiếp thu những môn học kỹ thuật chuyên ngành quan trọng khác và tiếp cận dễ : dàng hơn với ¡ những công nghệ, trang thiết bị hiện đại Thiết bị thực hành dé phục vụ cho môn học là rất cần thiệt, nhưng hiện nay các thiết
bị thí nghiệm mua của nước ngoài thì đắt tiền mà không khai thác được hiệu quả do linh kiện
và nội dung các bài thí nghiệm không phù hợp với chương trình đào tạo ở nước ta
Xuat phát từ yêu câu thực tê trên, chúng tôi nghiên cứu và đề xuất phương á án chế tạo một thiết bị thí nghiệm Vi điều khiển với đầy đủ các thành phần cơ bản của một hệ vi điều khiển và các ngoại vi, trên đó có thề thực hiện các bài thí nghiệm từ cơ bản đến nâng cao, đáp ứng được yêu cau thi nghiệm môn học "Kỹ thuật Vi điều khiển", phù hợp với chương trình đào tạo ở các trường đại học, cao dang 6 nước ta Đi kèm với sản phẩm phần cứng là các chương trình phần mềm điệu hành cho phép người sử dụng, lập trình thực hiện các bài thí nghiệm từ bàn phím của thiết bị hoặc từ trên máy vi tính kết nối với thiết bị
2 Phân tích yêu ‹ cầu đối với thiết bị
+ Phan cứng: Bởi vì mục đích của sản phim I là phục vụ cho việc đào tạo nên cầu hình phần cứng phải rõ Tàng, dàn trải Kích thước của thiết gọn nhẹ, dễ dàng di chuyén va bao quản Các thành phan của hệ vi điều khiển phải được thể hiện rõ ràng, ¢ dễ nhận biết
+ Các thành phân của thiết bị: Thiết bị có đầy đủ các thành phần cơ bản của một hệ vi điều khiển và các nguồn tài nguyên ngoại vi phong phú, cho phép người sử dụng có thể tự do phát triển các ứng dụng của mình:
e_ Bộ vi xử lí trung tâm
¢ Cac b6 nhé ROM, RAM, EEPROM bén ngoai
Trang 2
e _ Các công vào/ra tương tự, vào/ra số, các cổng ghép nói ngoại vi mở rộng lập trình
được
Giao tiếp bàn phím
Hiển thị LCD
Hiển thị trạng thái bằng đèn LED
Hiển thị LED 7 thanh
Hiển thị ma trận LED (8x8)
Các đầu vào xung
Mạch điều khiển động cơ một chiều, động cơ bước
Giao tiếp với máy tính PC qua cổng truyền thông nối tiếp (COM) và song song
(LPT)
+ Các bài thí nghiệm thực hiện trên thiết bị:
© Các bài cơ bản: Giúp sinh viên làm quen với hệ lệnh của chip vi điều khiển, nhập các lệnh và chạy chương trình dé xem kết quả thực hiện của các lệnh đó
© Cac bai nang cao: Gồm các bài thí nghiệm phức tạp hơn thực hiện việc điều khiển các thành phân ngoại vi trên thiết bị Các bài thí nghiệm thực hiện việc điều khiển một quá trình tượng tự hoặc sô, ví dụ: Điều khiển hiển thị đèn LED, LED 7 thanh,
ma trận LED, điều khiển vào/ra số - tương tự, điều khiển động cơ bước
+ Thực hiện các bài thí nghiệm:
© _ Các bài tập máu xây dựng trước: Đi kèm với sản phẩm phần cứng là một hệ thong các bài tap mẫu được Xây dựng cho các ứng dụng trên thiết bị như điều khiển các thành phần ngoại vi của thiết bị, điều khiển vào/ra L tương tự - số Sinh viên có thể đọc hướng dân sử dụng và thực hiện các bài tập mẫu này trên thiết bị
© Cac bài tập do sinh viên tự lập trình: Sau khi đã nắm rõ cầu hình của thiết bị và sơ
đồ bộ nhớ của các thành phần trên thiết bị, sinh viên có thẻ tự lập trình các bài thí nghiệm theo ý định riêng của mình
+ Công cụ lập trình:
° Bằng bàn phím và LCD: Có thể lập trình trực tiếp từ bàn phím của thiết bị bằng mã máy và quan sát kết quả hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng LCD và các công vào
ra Có khả năng sửa chương trình và thay đổi các tham số từ bàn phím, có thê lưu trữ chương trình hoặc mở một chương trình cũ
«Bằng máy tính PC: Có thể sử dụng các công cụ phát triển ví dụ như phần mềm KEIL đề lập các chương trình cho thiết bị từ máy tính bằng ngôn ngữ C hoặc Assembly sau đó biên dịch thành file dạng Hexa hoặc Binary rôi nạp xuông hệ vi điêu khiên của thiết bị thực hiện các chương trình đó
+ Công cụ phát triển cho thiết bị:
° Chương trình MONITOR: Chương trình Monitor điều hành hoạt động của cả thiết
bị và cho phép lập trình từ bàn phím hoặc từ máy tính để điều khiển thiết bị Người
Sử dụng có thể tạo một chương trình mới, hoặc có thể mở một chương trình cũ đã lưu từ lân thí nghiệm trước ở trong thiết bị, cho phép soạn thảo lại chương trình, sửa đổi các lệnh nêu gõ sai, cho phép lưu trữ lại chương trình và chương trình lưu trữ không bị mắt đữ liệu khi cắt nguôn, - Ngoài ra chương trình Monitor của thiết
bị còn cho phép xem và sử đôi nội dung của các thanh ghi đặc biệt hoặc nội dung các ô nhớ trong cua chip vi điều khiển chính
° Công cụ gỡ rồi: Trên giao diện máy tính có thể sử dụng các phần mềm phát triển
ví dụ phần mềm KEIL đề gỡ rối cho việc lập trình
3 Nội dung
Sau khi đã nghiên cứu, phân tích các yêu cầu cần thiết đối với thiết bị thí nghiệm Vi điều khiển, chúng tôi đề xuất phương án chế tạo thiết bị như sau:
3.1 Chọn phương án
Chọn họ vi điêu khiến làm thành phần trung tâm là họ 8051, vì 8051 là họ vi điều
khiển phổ biến nhất hiện nay, được sử dụng rât rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp cũng
Trang 3như trong việc chế tạo các sản phẩm dân dụng Ngoài ra, họ vi điều khiển 8051 đã xâm nhập vào các phòng thí nghiệm thiết kế của trường trung học, trường đại học, và là một đối tượng
cụ thể cho sinh viên khi bắt đầu nhập môn Vi điều khiển Vì vậy, việc chọn họ 8051 làm thành phần trung tâm của thiết bị là phù hợp với chương trình đào tạo và điều kiện học tập của sinh viên ở nước ta
'Vì những lí do trên, và xuất phát từ yêu cầu là thiết kế một thiết bị thí nghiệm Vi điều khiển phục vụ mục đích đào tạo môn học vi điều khiển, ta quyét dinh chọn phương án sử dung chip vi điều khiển AT89S8252 của hãng ATMEL để làm thành phần trung tâm điều khiến thiết bị, cùng với các thành phần bộ nhớ ROM, RAM bên ngoài và các thiết bị ngoại vi phong phú
» Đặc điểm của chip vỉ điều khiển AT89S8252
Chip vi điều khién AT89S8252 cũng thuộc họ 8051, do đó nó có tất cả những đặc trưng cơ bản của họ này Ngoài ra nó có một số đặc điểm mới so với họ 8051 Sau đây là những tính năng bồ sung của 89S8252:
- Ngoài 2 Timer T0 và T1, 89S8252 còn có thêm Timer T2 Timer này có thể làm việc nhu Timer TO, T1 trong chế độ Reload ngay cả ở lúc làm Timer 16 bit
- AT8988252 cé 8K Flash ROM lam bộ nhớ chương trình và 2K EEPROM làm bộ nhớ dữ liệu Tắt cả các vùng nhớ này đều có thé được nạp dữ liệu bằng công LPT của 1 may
tính thông qua phượng thức ISP Day là một phương thức ; nạp đữ liệu vào vi điều khiển rất
thuận tiện, không cân mạch nạp riêng Các chân đa chức năng từ P1.4 đến P1.7 của 89S8252 thực hiện giao tiếp ISP này Phần mềm sử dụng để nạp ISP là AEC ISP của hãng AEC Electronics ` , - sự
- Vi điêu khiên AT89S8252 hỗ trợ tân sô làm việc đên 24 MHz
- Có hai con trỏ dữ liệu
- Có thê lập trình cho Timer ở chế độ Watchdog Ché độ này cho phép người sử dụng theo dõi trạng thái hoạt động của vi điều khiên
- Có 9 nguồn ngắt với 2 mức ưu tiên khác nhau
- Có chế độ Power Down và Idle đề tiết kiệm điện năng của hệ thống
3.2 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị
Bộ nhớ RAM, ROM
Máy tính |_ »| Vi điều khiển
Hiển thị
_—
K—
Bàn phím
Chuyển đổi Chuyển đổi Hiển thị Vàofra Động cơ | | Ma trận
Tương tự/8ố || Số/Tương tr || LED 7 thanh Số bước LED
Hình 1 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị thí nghiệm vi điều khiển
3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý
Sau khi phân tích lựa chọn phương án thiết kế thiết bị thí nghiệm và từ sơ đồ khối thiết lập được như trên, ta tiến hành lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch nguyên lý của thiết bị Để việc thiết kế mạch nguyên lý được dễ dàng và tránh sai sót, ta chia mạch nguyên lý của thiết
bị thành các phần nhỏ được trình bày dưới đây
Trang 4Trong hệ vi điều khiển của thiết bị, mỗi thành phần thiết bị đều có một địa chỉ cụ thể,
người thiệt kê cân xác định rõ ràng các địa chỉ này để có thể đảm bảo cho hệ hoạt động và viết chương trình điều hành hoạt động của hệ, Người sử dụng cũng cần nắm rõ các địa chỉ này đề
có thể lập trình cho các ứng dụng trên thiết bị
e Khối CPU
Đây là phan điều khiển trung tâm của thiết bị, là bộ phận quan trọng nhất Khối CPU gồm có chíp vi điều khién chinh AT89S8252, EEPROM, RAM, mach chét, giai ma dia chi
T4HO138
Hình 2 Sơ đồ nguyên lý khối điểu khiển trung tâm của thiết bị
e Giao tiếp xuất/ nhập _
Phan giao tiếp xuất nhập gồm 2 khối: khối hiển thị LCD và khối bàn phím Để giảm bớt khối lượng tính toán cho chip vi điều khiển chính, ở đây ta dùng một chip vi điều khiển loại nhỏ 20 chân rất thông dụng trên thị trường hiện nay là AT89C2051 của hãng ATMEL để quét bàn phím
DATA BUS (D0 - D7)
ADRRESS:
PA1 :8000H
PB1:8001H ể
Hình 3 Sơ đô nguyên lý khối giao tiép xuat/nhap cia thiết bị
Trang 5e Các thành phần ngoại vi khác
Các thành phần ngoại vi khác của thiết bị thí nghiệm như Chuyển đổi tương tu/sé, chuyén đổi số/tương tự, hiển thị LED 7 thanh, ma trận LED, vào/ra số được ghép nối với chip vi điều khiển chính AT§9S8252 qua các vi mạch mở rộng ngoại vi có thể lập trình được
8255 Các thành phần ngoại vi này được dành cho người sử dụng có thể lập trình điều khiến thông qua bàn phím của thiết bị hoặc từ máy tính kết nói với thiết bị Do giới hạn của bài báo nên không thể hiện sơ đồ nguyên lý ở đây
3.4 Phần mềm cho thiết bị
Để điều khiển hoạt động của thiết bị thí nghiệm ta có các chương trình phần mềm sau:
© Chương trình điều hành
Chương trình điều hành được nạp vào bộ nhớ EEPROM ngoài của vi điều khiển AT§9S8252, có chức năng điều hành hoạt động của thiết bị Do chương trình điều hành của
hệ thống phức tạp và khá lớn nên ta sẽ tổ chức thành nhiều module nhỏ ghép lại với nhau Việc chia thành các module này được thực hiện trên phần mềm KEIL, mỗi module được viết
và lưu trên một file riêng và được liên kết lại với nhau trong một project Mỗi module thực hiện mỗi chức năng riêng, các module trong chương trình điều hành gồm:
+ Module thực hiện việc hiển thị LCD
+ Module ngắt ngoài của bàn phím
+ Module quản lí việc đọc/ghi đữ liệu trong EEPROM và RAM
+ Module tạo thời gian trễ
+ Module định nghĩa các kiểu dữ liệu
+ Chương trình chính (Main)
+ Module điều khiển truy cập các thanh ghi đặc biệt và các ô nhớ bên trong chip vi
điều khiển chính
+ Module ngắt truyền thông giao tiếp với máy tính PC
se Chương trình quét bàn phím
Chương trình quét bàn phím được nạp vào chip vi điều khiển AT89C2051 Bàn phím
sử dụng trong thiết bị gôm có 20 phim, 16 phim đầu tiên được sắp xếp theo kiểu ma trận và 4 phím cuôi cùng được xếp theo một cột nói đất chung Trên bàn phím của thiết bị, 4 phím trên một cột nội dat chung là các phím chức năng: SHIFT, UP, DOWN và ENTER Trong đó phím SHIFT có chức năng thay đổi mã ban phim làm cho bàn phím có thể mở rộng mã đến 39 phím Khi phím SHIFT được nhắn, nó sẽ làm thay đôi nội dung của một thanh ghi bên trong
và làm thay đổi mã của các ; phím trên bàn phím, khi phím SHIFT được ân thêm một lần nữa,
mã của các phím lại quay về giá trị cũ
Giao diện bàn phím như sau:
Chức năng các phím:
|
|
|
Trang 6
0F : Các phím được dùng để nạp dữ liệu bằng mã Hexa
RUN : Cho phép chạy toàn bộ chương trình
STEP : Cho phép chạy chương trình từng bước
MENU : Cho phép trở lại Menu ban đầu của LCD chọn chế độ làm việc
LOAD : Cho phép xem và kiểm tra nội dung các ô nhớ hoặc thanh ghi
+ : Dịch chuyển con trỏ màn hình hiển thị LCD lên trên 1 dòng
+ : Dịch chuyển con trỏ màn hình hiển thị LCD xuống phía dưới một
dong
SHIFT : Thay đổi chức năng của phím đối với phím có 2 chức năng Khi nhấn
phím SHIFT, chức năng thứ hai của phím được thực hiện
ENTER : Dùng đề ghi các kết quả nhập dữ liệu
e _ Chương trình giao diện trên máy tính PC
Chương trình giao diện trên máy tính PC làm nhiệm vụ giao tiếp giữa hệ vi điều khiển của thiết bị với máy tính được viết bằng ngôn ngit Visual C++ 6.0 Giao diện của chương trình trên máy tính PC như hình vẽ Chương trình cho phép nạp chương trình của người sử dụng vào EEPRAM hoặc vào RAM của thiết bị và có thể chạy chương trình ứng dụng đó Trên giao diện của chương trình có thể download file dạng Hexa hoặc file dạng Binary của chương trình xuống thiết bị và có thể upload nội dung bộ nhớ của thiết bị
› DKDDownloader V1.0
File Tools Help
Options
(02D5 : 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 41 42 43 44 45 46 02ES : 00 4E 65 77 20 20 4F 70 65 6E 00 28 31 29 20 20 02F5 : 20 28 32 28 00 4E 45 57 20 20 3Ä 20 54 61 6F 20
0305 : 63 2E 74 72 20 6D 6F 69 00 4F 50 45 4E 20 3A 20
0315 : 4D 6F 20 74 72 6F 6E 67 20 52 4F 4D 00 44 6F 77
0325 : 6E 6C 6F 61 64 69 6E 67 2E 2E 2E 00 49 6E 69 74
0335 : 68 61 6C 69 7A 68 6E 67 2E 2E 2E 00 49 6E 76 61
0345 : 6C 69 64 2E 2E 00 30 30 30 30 20 3A 20 30 78 00
0355 : 30 30 30 30 20 3Ä 20 30 78 00 A91 : 90 80 03 74 89 FD E4 90 80 00 F0 À3 EF FD 74 04 DAA1 : 90 80 00 F0 54 FB F0 7F 05 02 0A E2
0472 : 90 80 03 74 89 F0 90 80 00 74 01 F0 a3 EF FO 74 0A82 : D1 44 04 90 80 00 F0 54 FB F0 7F 05 02 DA E2 D9AE : 7F 64 12 0A E2 7F 30 12 OA 91 7F OA 12 OA E2 7F 09BE : 30 12 0A 91 7F 30 12 0A 91 7F 38 12 0A 91 7F 08 OSCE : 12 0A 91 7F 01 12 0A 91 7F 06 12 DA 91 7F 0E 02
<2827 Bytes>
Hình 4 Giao diện giao tiếp với thiết bị trên may tinh PC 3.5 Sứ dụng thiết bị
e Lập trình trực tiếp trên thiết bị
Với chương trình điều hành được nap sẵn trên thiết bị, người sử dụng có thể nhập lệnh
từ bàn phím bằng mã máy, có thể mở một chương trình cũ, chạy chương trình, soạn thảo, sửa chữa chương trình, lưu trữ chương trình, xem nội dung các ô nhớ, thanh ghi bên trong Quá trình giao tiếp với thiết bị được hiền thị bằng màn hinh LCD.
Trang 7° Lập trình từ máy tính PC
Với các chương trình lớn và phức tạp thì việc lập trình bằng mã máy từ bàn phím của thiết bị sẽ gặp khó khăn Do đó, người sử dụng dùng các phần mềm lập trình cho vi điều khiển trên giao diện của máy tính để viết chương trình điều khiển các thành phần ngoại vi của thiết bị, với phần mềm KEIL, ngôn ngữ để lập trình có thể là Assembly hay C, sau đó xuất sang dạng file Hexa và sử dụng chương trình giao diện của thiết bị trên máy tính để nạp xuông bộ nhớ EEPROM của thiết bi, lic nay chương trình diéu hanh trén chip vi diéu khién AT§9S8252 sẽ thực hiện ngắt truyền thông
4 Kết luận
Với phương á án chế tạo thiết bị thí nghiệm mà bài báo đề xuất đã ¡ đáp ứng được các yêu cầu cần thiết cho việc thí nghiệm, thực hành môn học Kỹ thuật Vi điều khiển Chip vi điều khiển AT89S8252 với công nghệ bộ nhớ Flash cho phép nạp chương trình trực tiếp từ máy tính khi thiết bị đang hoạt động mà không cần sử dụng bộ nạp riêng Thiết bị thí nghiệm cho phép người sử dụng có thể dễ dàng phát triển, kết nói điều khiển thêm các thiết bị bên ngoài qua các khối vào/ra số hoặc tương tự Với đặc điểm các thành phần của hệ vi điều khiển của thiết bị cho phép xây dựng và thực hiện các bài thí nghiệm, thực hành không những phù hợp với chương trình đào tạo môn học Kỹ thuật Vi điều khiên tại các trường cao dang, dai hoc & nước ta mà còn có thé phục vụ cho mục đích nghiên cứu, mở rộng cho một số các ứng dụng khác
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sencer Yeralan, Ashutosh Ahlwalia, Programming and Interfacing the 8051
Microcontroller, Addision-Wesley Pub Co; ISBN: 0201633655, 1995
[2] KEIL software user's guidebook, C51 compiler Optimizing 8051 C Compiler and
Library reference, User's guide 02.2001
[3] Kenneth Hintz, Daniel Tabak, Microcontrollers - Architecture, Implementation, &
Programming, McGraw-Hill International Editions, 1992
[4] Kenneth J.Ayala, The 8051 Microcontrollers: Architecture, Programming and
Applications, West Publishing Company, Thomson Learning; ISBN: 0314201882,
1996
[5] I Scott MacKenzie, The 8051 Microcontroller, Prentice Hall, 1998
[6] Ngô Diên Tập, Đo lường và điều khiển bằng máy tính, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ
thuật 1997
[7] Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng, Cấu ứrúc và lập trình họ vi điều khiển 8051,
Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2004
[8] Đỗ Xuân Tiến, Kỹ thuật Vi xử lý và lập trình Assembly cho hệ vi xử ly, Nha Xuất bản
Khoa học và Kỹ thuật, 2001
