họ vi điều khiển AT89C51

họ vi điều khiển AT89C51

Đồ Án 2

Khoa: Công Nghệ Điện Tử

GVHD: Thầy Trần Nguyên Bảo Trân

PHẦN II: PHẦN NỘI DUNG

 1.Giới thiệu về họ vi điều khiển AT89C51

 AT89C51 là phiên bản có Rom nằm trên Chip là bộ nhớ Flash Phiên bản này rất thích hợp cho các ứng dụng nhanh vì bộ nhớ Flash

có thể xóa được dữ liệu chỉ trong vài giây (chứ không phải 20 giây như 8751) Dĩ nhiên là để dung AT89C51 cần có một bộ đốt ROM hỗ trợ bộ nhớ Flash, xong lại không cần bộ xóa, bộ nhớ Flash được xóa bằng bộ đốt PROM Để tiện sử dụng, hiện nay hang Atmel đang

nghiên cứu một phiên bản mới của AT89C51 có thể lập trình qua cổng COM của máy tính và như vậy sẽ không cần bộ đốt PROM

 1.1.Giới thiệu về cấu trúc phần cứng họ MCS-51

 Đặc điểm và chức năng hoạt động của họ IC MCS-51 hoàn toàn tương tự nhau Ở đây giới thiệu

IC AT89C51 là một IC điều khiển do hang intel của Mỹ sản xuất, chúng có những đặc điểm như sau:

 4KB EFROM bên trong

 128 byte RAM nội

 4 Port xuất nhập I/O 8 bit

 Giao tiếp nối tiếp

 1.2.Khối điều khiển trung tâm ( CPU ) :

 Sơ đồ khối của một hệ vi xử lý:

Tổng quát hệ vi xử lý gồm:

 Phần cứng (hardware): các thiết bị ngoại vi để giao tiếp với con người.

 Phần mềm (software):chương trình để xử lý dữ liệu.

 CPU (Central Processing Unit): đơn vị xử lý trung tâm.

 RAM (Random Access Memory): bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên.

 Rom (Read Only Memory): bộ nhớ chỉ đọc.

 Interface Circuitry: mạch điện giao tiếp.

 Peripheral Devices (Input): các thiết bị ngoại vi (thiết bị nhập)

 Peripheral Devices (Output): các thiết bị ngoại vi (thiết bị xuất).

 Addressbus: bus địa chỉ.

 Data bus: bus dữ liệu.

 Control bus: bus điều khiển.

 1.3.Đơn vị xử lý trung tâm:

 CPU đóng vai trò chủ đạo trong hệ vi xử lý, nó quảnlý tất cả các hoạt động của hệ và thựchiện tất cả

các thao tác trên dữ liệu.

 CPU là một vi mạch điện tử có độ tích hợp ca Khi hoạt động CPU đọc mã lệnh được ghi dưới dạng

cácbit 0 và bit 1 từ bộ nhớ, sau đó nó sẽ thực hiện giải mã các lệnh này thành các dãy xung điều khiển tương ứng với các thao táctrong lệnhđể điều khiển cáckhối khác thực hiện từng bước các thao tác đóvà

từ đó tạo ra các xung điều khiển cho toàn hệ.

 IR/IP (Instruction Register/Intruction Pointer): thanh ghi lệnh/con trỏ lệnh.

 PC (Program Counter): bộ đếm chươngtrình.

 Instruction decode and control unit: đơn vị giải mã lệnh và điều khiển.

 ALU (arithmetic and Logic Unit): đơn vị số học và logic.

 Registers: Các thanh ghi.

 Khi hoạt động CPU sẽ thực hiện liên tục 2 thao tác: tìm nạp lệnh và giãi mã - thực hiện lệnh.

 Thao tác tìm nạp lệnh:

 Nội dung của thanh ghi PC đượcCPU đưa lên bus địa chỉ.

 Tín hiệu điều khiển đọc (Read) chuyển sang trạng thái tích cực.

 Mã lệnh (Opcode) từ bộ nhớ được đưa lên bus dữ liệu.

 Nội dung của thanh ghi PC tăng lên một đơn vị để chuẩn bị tìm nạp lệnh kế tiếp từ bộ nhớ.

 Thao tác giải mã - thực hiện lệnh:

 Mã lệnh từ thanh ghi IR được đưa vào đơn vị giải mã lệnh và điều khiển.

 Đơn vị giải mã lệnh và điều khiển sẽ thực hiện giải mã opcode và tạo ra các tín hiệu

để điều khhiển việc xuất nhập dữ liệu giữ ALU và cácthanh ghi

 Căn cứ trên các tín hiệu điều khiển này, ALU thực hịên các thao tác đã được xác định.

 Một chuỗi các lệnh (Opcode) kết hợp lại với nhau để thực hiện một công việc có nghĩa

được gọi là chương trình (Program) hay phần mềm

 Bộ nhớ bán dẫn là một khác rất quan trọng của hệ vi xử lý, các chương trình và dữ

liệu đều được lưu giữ trong bộ nhớ

 Sơ lược về cấu trúc và phân loại ROM – RAM:

 ROM (Read Only Memory): bộ nhớ chỉ đọc

 RAM (Random Access Memory): bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (bộ nhớ ghi đọc)

 1.4.Các chân của chip 89C51:

 CPU (Central Processing Unit): Đơn vị xử lý trung tâm tính toán và điều khiển quá

trình hoạt động của hệ thống

 OSC (Oscillator): Mạch dao động _ tạo tín hiệu xung clock cung cấp cho các khối

trong chip hoạt động

 Interrupt control: Điều khiển ngắt _ nhận tín hiệu ngắt từ bean ngoài (INT0\, INT1\),

từ bộ định thời (TIMER0, TIMER1) và từ cổng nối tiếp (SERIAL PORT), lần lượt đưa các tín hiệu ngắt này đến CPU để xử lý

 Other registers: Các thanh ghi khác _ lưu trữ dữ liệu của các port xuất/nhập, trạng thái làm việc

của các khối trong chip trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống.

 RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ dữ liệu trong chip lưu trữ các dữ liệu.

 ROM (Read Only Memory): Bộ nhớ chương trình trong chip lưu trữ chương trình hoạt động của chip.

 I/O ports (In/Out ports): Các port xuất/nhập _ điều khiển việc xuất nhập dữ liệu dưới dạng song

song giữa trong và ngoài chip thông qua các port P0, P1, P2, P3.

 Serial port: Port nối tiếp _ điều khiển việc xuất nhập dữ liệu dưới dạng nối tiếp giữa trong và ngoài

chip thông qua các chân TxD, RxD.

 Timer 0, Timer 1: Bộ định thời 0, 1 _ dùng để định thời gian hoặc đếm sự kiện (đếm xung) thông

 1.4.2 Chức năng các chân của chip 89C51

 Chip 89C51 :gồm 40 chân

 2 chân nguồn cấp điện (VCC, VSS)

 32 chân xuất/nhập

 6 chân chức năng (EA, ALE, PSEN, XTAL1, XTAL2, RST)

 Port xuất/nhập 8 bit (P0.0 – P0.7)

 Port xuất/nhập 8 bit (P1.0 – P1.7)

 Port xuất/nhập 8 bit (P2.0 – P2.7)

 Port xuất/nhập 8 bit (P3.0 – P3.7)

 1.4.3.Sơ đồ chân của chip 89C51

 Port 0:

 - Port 0 (P0.0 – P0.7) có số chân từ 32 – 39.

 - Port 0 có hai chức năng:

 • Port xuất nhập dữ liệu (P0.0 - P0.7) không sử dụng bộ nhớ ngoài.

 • Bus địa chỉ byte thấp và bus dữ liệu đa hợp (AD0 – AD7) có sử dụng bộ

nhớ ngoài.

 + Lưu ý: Khi Port 0 đóng vai trò là port xuất nhập dữ liệu thì phải sử dụng

các điện trở kéo lên bên ngoài.

 - Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 0 đóng vai trò là ngõ vào của dữ

liệu (D0 -> D7)

 Port 1:

 - Port 1 (P1.0 – P1.7) có số chân từ 1 – 8.

 - Port 1 có một chức năng:

 • Port xuất nhập dữ liệu (P1.0 – P1.7) _ sử dụng hoặc không sử dụng bộ nhớ ngoài.

 - Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 1 đóng vai trò là ngõ vào của địa chỉ byte

thấp (A0 – A7)

 Port 2:

 - Port 2 (P2.0 – P2.7) có số chân từ 21 – 28.

 - Port 2 có hai chức năng:

 • Port xuất nhập dữ liệu (P2.0 – P2.7) _ không sử dụng bộ nhớ ngoài.

 • Bus địa chỉ byte cao (A8 – A15) _ có sử dụng bộ nhớ ngoài.

 - Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 2 đóng vai trò là ngõ vào của

địa chỉ byte cao (A8 – A11) và các tín hiệu điều khiển

 Port 3:

 - Port 3 (P3.0 – P3.7) có số chân từ 10 – 17.

 - Port 0 có hai chức năng:

 • Port xuất nhập dữ liệu (P3.0 – P3.7) _ không sử dụng bộ nhớ ngoài hoặc

các chức năng đặc biệt.

 • Các tín hiệu điều khiển _ có sử dụng bộ nhớ ngoài hoặc các chức năng

đặc biệt.

 - Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 3 đóng vai trò là ngõ vào của

các tín hiệu điều khiển

 Chân ALE:

 - ALE (Address Latch Enable): cho phép chốt địa chỉ, chân số 30.

 - Chức năng:

 • Là tín hiệu cho phép chốt địa chỉ để thực hiện việc giải đa hợp cho bus địa chỉ byte

thấp và bus dữ liệu đa hợp

 (AD0 – AD7).

 • Là tín hiệu xuất, tích cực mức cao.

 ALE = 0 _ trong thời gian bus AD0 – AD7 đóng vai trò là bus D0 – D7.

 ALE = 1 _ trong thời gian bus AD0 – AD7 đóng vai trò là bus A0 – A7.

 - Khi lập trình cho ROM trong chip thì chân ALE đóng vai trò là ngõ vào của xung lập

trình (PGM\)

 Khi lệnh lấy dữ liệu từ RAM ngoài (MOVX) được thực hiện thì 1 xung ALE bị bỏ qua

 EA\ = 0 _ Chip 89C51 sử dụng chương trình của ROM ngoài.

 EA\ = 1 _ Chip 89C51 sử dụng chương trình của ROM trong.

 - Khi lập trình cho ROM trong chip thì chân EA đóng vai trò là ngõ vào của điện áp lập

trình (Vpp = 12V/89xx, 21V/80xx,87xx)

 + Lưu ý: Chân EA\ luôn luôn phải được nối lên Vcc (sử dụng chương trình của ROM

trong) hoặc xuống Vss (sử dụng chương trình của ROM ngoài)

 Chân XTAL1, XTAL2:

 - XTAL (Crystal): tinh thể thạch anh, chân số 18-19.

 - Chức năng:

 • Dùng để nối với thạch anh hoặc mạch dao động tạo xung clock bên ngoài, cung cấp tín hiệu xung clock cho chip hoạt động.

 • XTAL1 _ ngõ vào mạch tạo xung clock trong chip.

 • XTAL2 _ ngõ ra mạch tạo xung clock trong chip.

 RST = 0 _ Chip 89C51 hoạt động bình thường.

 RST = 1 _ Chip 89C51 được thiết lặp lại trạng thái ban đầu.

 2.Giới thiệu về các IC cơ bản trong mạch

 2.1.Giới thiệu về IC ULN2803

 IC ULN2803

 Đây là IC gồm 8 transistor NPN ghép Darlington gắn mạch điện tử trong dãy này của

chuổi là một bộ lý tưởng để giao tiếp với mạch điện dạng số mức logic thấp như: TTL, CMOS hoặc PMOS/NMOS

 ULN2803 được thiết kế để phù hợp với chuẩn TTL

ULN2803

 Vài chỉ số kĩ thuật của IC ULN2803

 Điện áp ngõ vào khoảng 2,4V – 3V

 Chân 1 – 8: Ngõ và dữ liệu

 Chân 11 – 18: Ngõ ra dữ liệu

 Trong thực tế IC này có nhiều ứng dụng đòi hỏi công suất lớn Trong

mạch này em sử dụng ULN 2803 AG nhằm đệm đảo dữ liệu xuất ra từ Port 3 của Vi xử lý nhằm nâng dòng

 Hình 2.5: Cấu trúc ULN2803

 2.2.Giới thiệu về IC 74HC154

 IC 74HC154 là loại IC dùng để giải mã ,giải đa hợp với các tính năng chính:

 Giải đa hợp có 16 đường ngõ ra

 Giải mã nhị phân 4 bit đầu vào thành 16 đường ngõ ra tương ứng

 Hai ngõ vào cho phép khóa hoặc mở rộng

Chân 74HC154

 2.2.1.Sơ đồ chân IC 74HC154

 Chức năng các chân của IC 74HC154:

 Chân 24,12(VCC,GND):dùng cấp nguuồn cho IC hoạt động

 Chân 18,19 (G1,G2):các ngõ vào cho phép IC hoạt động,trong một thời điểm chỉ

có 1 IC hoạt động, IC bị cấm hoạt động thì tất cả ngõ ra đều ở mức logic cao (bất chấp ngõ vào ở trạng thái nào)

 Chân 23,22,21,20 (A,B,C,D):các ngõ vào quy định trạng thái ngõ ra

 Chân 1-11,13-15 (O0-O15):các ngõ ra của IC

 Tuỳ thuộc vào trạng thái của các đường địa chỉ mà ta có ngõ ra tương ứng, khi cả hai

ngõ vào G1,G2 ở mức logic thấp thì IC hoạt động bình thường, tại một thời điểm chỉ có một ngõ ra ở mức logíc thấp, tất cả các ngõ còn lại đều ở mức logic cao

 2.2.3 Bảng chức năng của 74HC154

 2.2.4.Nguyên tắc hoạt động của IC 74HC154:

 Dựa vào bảng trạng thái ta thấy: Chỉ cần chân G1,G2 ỏ trạng thái cấm

( không cho phép IC hoạt động) thì tất cả ngõ ra của IC 74HC154 đều ở mức logic cao bất chấp trạng thái ở các chân địa chỉ (A,B,C,D) Chẳng hạn như khi chân G1 ở mức logic cao thì tất cả các ngõ ra của IC đều ở mức logic cao bất chấp trạng thái của các chân còn lại như G2,A,B,C,D Và khi chân G2 ở mức cao thì cũng tương tự như thế.

 Khi các đương địa chỉ vào từ 00H_07H thì mức logic thấp duy nhất ở ngõ

ra sẽ di chuyển từ ngõ ra(O0_O7).

 3.Giới thiệu về led ma trận

 Led ma trận gồm các led phát quang được bố trí thành hàng và cột trong một vỏ

Các tín hiệu điều khiển cột được nối với Cathode của tất cả các led trên cùng một cột Các tín hiệu điều khiển hàng cũng được nối với Anode của tất cả các led trên cùng một hàng như hình vẽ sau:

 Ma Trận

 Khi có một tín hiệu điều khiển ở cột và hàng, các chân Anode của các Led trên

hàng tương ứng được cấp điện áp cao, đồng thời các chân Cathode các Led trên cột được cấp điện áp thấp Tuy nhiên lúc đó chỉ có một Led sang, vì nó có đồng thời điện thế cao trên Anode và điện thế thấp trên Cathode Như vậy, khi có một tín hiệu điều khiển hàng và cột, thì tại một thời điểm chỉ có duy nhất một Led tại chỗ gặp nhau của hàng và cột là sáng

 Các bảng quang báo với số lượng Led lớn hơn cũng được kết nối theo cấu trúc như vậy.



 Trong trường hớp ta muốn cho sáng đồng thời một số Led rời rạc trên ma trận, để hiển thị một kí

tự nào đó, nếu trong hiển thị tĩnh ta cấp áp cao cho Anode và áp thấp cho Cathode, cho các Led tương ứng mà ta muốn sáng

 Nhưng khi đó một số Led ta không mong muốn sáng cũng sẽ sáng, miễn là nó nằm tại vị trí gặp nhau

của các cột và hàng mà ta cấp nguồn Vì vậy trong điều khiển Led ma trận ta không thể sử dụng

phương pháp hiển thị tĩnh mà phải sử dụng phương pháp quét (hiển thị động), có nghĩa là ta phải tiến hành cấp tín hiệu điều khiển theo dạng xung quét trên các hàng và cột có Led cần hiển thị.

 Để đảm bảo cho mắt nhìn thấy Led không bị nháy, thì tầng số quét nhỏ nhất cho mỗi chu kì đi hết các

cột là 20Hz (50ms) Trong lập trình vi điều khiển cho Led ma trận bằng vi xử lý ta cũng phải sử dụng phương pháp quét Led như vậy.

 Ma trận Led có thể là loại chỉ hiển thị được một màu hoặc hiển thị được

hai màu trên một điểm, khi đó Led có số chân ra tương ứng:

 + Đối với Led ma trận 8x8 hiển thị một màu, thì số chân ra là 16, trong

đó 8 chân dùng để điều khiển hàng và 8 chân còn lại đề điều khiển cột

 + Đối với loại 8x8 có hai màu thì số chân ra của Led là 24 chân, trong

đó 8 chân dùng để điều khiển hàng chung cho cả hai màu, 16 chân còn lại thì 8 chân dùng để điều khiển cột của màu thứ nhất và 8 chân còn lại

dùng để điều khiển màu thứ hai.

 4 Sơ đồ khối của mạch quang báo :

 5 Chức năng của từng khối :

 5.1.Khối vi điều khiển:

 IC 89C51 là khối điều khiển trung tâm ,khối này chứa chương trình thực thi Có 4 port

trong đó: Port 0 và Port 2 dùng để xuất dữ liệu đồng thời qua khối đảo để hiển thị hàng cho Led ma trận, Port 1 để xuất dữ liệu nhị phân 4 bit cho hai IC 74HC154 trong khối phân kênh Port 3 em chỉ sử dụng hai chân P3.0 và P3.1 để điều khiển hai IC 74HC154

 5.2.Khối phân kênh :

 Khối phân kênh em dùng 2 IC 74HC154 dùng điều khiển hoạt động

của 8 led ma trận Việc dùng IC 74HC154 làm giảm bớt việc phải tốn Port ở khối CPU do IC này phân kênh 4  16 ( 2 IC sẽ được 32 đường điều khiển )

 5.3.Khối ghép nối

 Khối ghép nối em dùng IC ULN2803 và transistor để điều khiển hiển thị hàng, tại

một thời điểm khi điều khiển hàng thì em xuất đồng thời port 0 và port 2 ra khối ghép nối đề hiển thị cho Led ma trận

.

 6.Nguyên lý hoạt động:

 6.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

 6.2.Khối Led Matrix:

 Loại Led ma trận sử dụng là Led 24 chân gồm 8 hàng và 8 cột Ma trận Led có 2 màu chính là xanh và đỏ, ngoài ra còn có 1 màu phụ là màu cam khi kết hợp 2 màu trên lại Mỗi điểm Led trên ma trận có cấu tạo gồm 2 Led xanh và

đỏ ghép lại theo nguyên tắc Anode chung còn Cathode để riêng

 Sự kết hợp các mức logic cao/thấp thích hợp trên các hàng và cột theo một quy luật nhất định mà ta sẽ có hình ảnh như mong muốn.

 Phương pháp điều khiển: Đầu tiên ta cấp tín hiệu đầu tiên ra 16 hàng của led ma trận đó là mã nhị phân tương ứng một phần chữ mà ta muốn hiển thị ra đồng lọat 16 hàng Sau đó ta quét cột 1 bằng cách điều khiển cột đầu tiên ở mức logic 0 tương ứng các Cathode của cột đầu tiên ở mức logic 0.

 Kế tiếp ta cấp tín hiệu mã nhị phân của một phần chữ tiếp theo ra tất cả hàng sau đó quét cột thứ 2 bằng cách điều khiển cột 2 về mức logic 0 tất cả cột còn lại mức logic 1

 Quá trình cứ diễn ra một cách tuần tự và liên tục như vậy và do hiện tượng lưu ảnh của mắt mà ta thấy được các Led dường như sáng cùng một lúc để tạo ra hình ảnh mong muốn trên Led ma trận

 Các ngõ vào điều khiển cột đều sử dụng mức thấp để điều khiển.

 6.3.Khối vi điều khiển:

 Ở đây ta dùng con 89C51, có 40 chân,gồm 4 Port dùng xuất nhập dữ liệu, mỗi Port 8

chân; 2 chân nguồn 20 mass và 40 Vcc; 2 chân gắn thạch anh (chân 18,19);1 chân reset chân 9;chân 29 là chân cho phép bộ nhớ chương trình; chân 30 là chân chốt địa chỉ và cuối cùng chân 31 là chân cho phép truy xuất ngoài

 Để reset chíp ta dùng nút nhấn Trong mạch,chúng ta có thể reset tự động bằng tụ

hoặc reset bằng tay bởi nút nhấn

 Các Port để điều khiển:

 Port 0 và Port 2 để điều khiển hàng Led ma trận

 Port 1 và 2 chân P3.0, P3.1 để điều khiển IC 74HC154 quét cột