Nghiên cứu công nghệ vi xử lý IC 8051 chế tạo các dụng cụ đo trong các thí nghiệm vật lí đại cương

Đối với loại thiết bị này, công nghệ chế tạo nh sau:  Các CHIP đợc hoạt động nh một máy tính nhỏ có thể lập trình đợc và cócác bộ nhớ đọc đợc ROM, bộ nhớ đọc ghi đợc RAM có các lệnh ngầ

Lời cảm ơn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa Vật lý đãtạo điều kiện cho tôi đợc tham gia nghiên cứu một đề tài khoa học Trong thờigian thực hiện đề tài " Nghiên cứu công nghệ vi xử lý IC 8051 chế tạo cácdụng cụ đo trong các thí nghiệm vật lý đại cơng " tôi đã nhận đợc rất nhiều sựquan tâm giúp đỡ và hớng dẫn của các Thầy giáo, Cô giáo Tôi bày tỏ lòng biết

ơn chân thành tới Thầy giáo TS GVC Võ Thanh Cơng - Ngời đã hớng dẫn tậntình giúp đỡ tôi và cung cấp nhiều tài liệu để tôi hoàn thành luận văn này Tôixin chân thành cảm ơn Thầy giáo ThS Nguyễn Văn Phú đã cho tôi nhiều ý kiếnquý báu và bổ ích cho luận văn Tôi xin cảm ơn sự đóng góp ý kiến bổ sung củacác Thầy, Cô trong khoa Vật lý và trong Hội đồng bảo vệ luận văn tốt nghiệpKhoa Vật lý để đề tài đợc hoàn thành

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, đề tài đã thu đợc một số kết quảnhất định về kiến thức cũng nh phơng pháp nghiên cứu khoa học Tuy nhiên đây

là lần đầu tiên tác giả luận văn tham gia nghiên cứu một mảng đề tài khoa họcmới, do đó đề tài chắc vẫn còn một số khiếm khuyết Tác giả rất mong sự đónggóp ý kiến của các Thầy Cô giáo cũng nh bạn đồng nghiệp tham dự trong buổibảo vệ luận văn Tốt nghiệp để đề tài đợc hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn

Sinh viên: Nguyễn Đăng Quang

1

 Sai số khách quan là các sai số do thiết bị cụ thể là do độ rơ, độ bôi trơncủa các bánh xe vv các sai số này ngày càng tăng khi tần suất sử dụng tăng.Các loại thiết bị dễ bị hỏng và khó sửa chữa

 Sai số chủ quan Sai số này là do con ngời sử dụng thiết bị: do cáchquan sát và cách đọc các vạch chia độ, do phản xạ khi bấm giây

 Không thể kết nối các sensor hoặc máy tính Đây là một trong các yêucầu cần thiết trong hớng phát triển khoa học công nghệ giáo dục ngày nay

Để khắc phục những nhợc điểm đó, hiện nay ngời ta có xu hớng thay thếcác đồng hồ bấm giây cơ học bằng các đồng hồ hiện số điện tử Các đồng hồnày đợc tạo tần số bởi các quatz hoặc thạch anh (Xtal) nên rất chính xác và đo đ-

ợc những khoảng thời gian rất nhỏ (10-6 s) Một trong các xu hớng phát triển củathế hệ này trong thời gian qua là phơng hớng chế tạo các thiết bị số (DIGITAL),các vi mạch đợc sử dụng là các cổng logic Mặc dù có nhiều u điểm hơn thế hệbán dẫn rời nhng cũng có nhiều nhợc điểm nh: mạch cồng kềnh (với công nghệngày nay trên 1 cm2 có thể có đến 10.000 cổng), khó sửa chữa vì đã bị cứng hoá

và khó kết nối trực tiếp đợc máy tính Để có thể kết nối trực tiếp với máy tínhcác tín hiệu vào hoặc ra phải thể hiện dới dạng các file BIN (nhị phân) hoặc fileHEX (thập lục phân) Do đó xu hớng hiện nay ngời ta sử dụng các IC vi xử lí

(còn gọi là các chip) để chế tạo Đối với loại thiết bị này, công nghệ chế tạo

nh sau:

 Các CHIP đợc hoạt động nh một máy tính nhỏ có thể lập trình đợc và cócác bộ nhớ đọc đợc (ROM), bộ nhớ đọc ghi đợc (RAM) có các lệnh ngầm định,các vùng nhớ trên hoạt động nh một đĩa cứng (HARD DISK), có nhiều cổng vào

ra (PORTS) song song (R232) nối tiếp (SERIAL PORTS hoặc USB) Các thanhghi có thể ghi nhiều lần (trên 1000 lần) thuận tiện cho việc sửa chữa và dao độngchủ nhờ thạch anh có thể đạt tới 24 MHz, suy ra tốc độ truyền dữ liệu cho phép

đạt đến 10 MB trên giây

 Thiết bị chế tạo đợc mềm hoá, trên một thiết bị có thể có thể sử dụng rấtnhiều chức năng khác nhau Ví dụ nh: trên mạch của đồng hồ hiện số ta có thểlập trình để thiết bị có thể thành: hoặc máy phát tần số hoặc máy đếm tần số,máy đo phóng xạ vv mà không cần thay đổi sơ đồ mạch Khi h hỏng chỉ việcnạp lại chơng trình rất thuận tiện

2

Để nâng cao chất lợng đào tạo thực hành thì việc nâng cao chất lợng cácbài thí nghiệm vật lý là không thể thiếu đợc Điều đó đợc thực hiện nhờ hiện đạihoá các thiết bị đo các đại lợng vật lý.

Để khắc phục những nhợc điểm của các dụng cụ đo cùng với tầm quantrọng của nó chính là lý do mà tôi chọn đề tài này Đây là một đề tài rất mới, rất

lý thú và bổ ích

Trong luận văn này tác giả nghiên cứu hai phơng pháp: Phơng pháp chếtạo đồng hồ hiện số bằng các cổng logic cơ bản (kỹ thuật số) và phơng pháp môtả phần cứng (lập trình CHIP) Sau đó làm quen với phần mềm này tự lập trìnhmột chơng trình đơn giản chế tạo một đồng hồ đếm giây Sau cùng là nghiêncứu phần mềm của TS Võ Thanh Cơng về sản phẩm hoàn chỉnh của thiết bị

với CHIP ATM 52 là một IC vi xử lí họ 8051 do hãng Intel sản xuất

Phần kết luận.

Phần phụ lục là một số phần mềm có thể chạy trên mạch điện trên doThầy giáo TS GVC Võ Thanh Cơng lập trình

3

Sơ đồ khối của bộ đếm đợc mô tả nh hình vẽ dới.

1.1.2 Phân loại bộ đếm.

Trong kỹ thuật điện tử số ngời ta có thể dùng rất nhiều cách để phân loại

bộ đếm Dới đây sẽ giới thiệu một số cách phân loại thông dụng

Các đầu ra trạng thái

1.1.2.1 Phân loại theo cách làm việc của bộ đếm.

Dựa vào cách làm việc của bộ đếm ta có thể phân bộ đếm làm 2 loại:

Bộ đếm đồng bộ và bộ đếm dị bộ

Bộ đếm đồng bộ là bộ đếm mà trong nó các Triger (FF) đều chịu tác động

điều khiển đồng thời của một xung đồng hồ duy nhất, đó là xung đếm đầu vào

(X) Các trạng thái trong của bộ đếm thay đổi cùng một lúc, và mọi sự chuyển

đổi trạng thái (từ Si đến Sj ) đều thông qua trạng thái trung gian

Bộ đếm không đồng bộ hay còn gọi là bộ đếm dị bộ, là bộ đếm mà trong

nó có FF chịu tác động trực tiếp của xung đếm đầu vào (X) nhng cũng có FFchịu tác động điều khiển của xung đầu ra của FF khác Vậy sự chuyển đổi trạngthái của các FF là không cùng một lúc tức là không đồng bộ

Bộ đếm tiến ( hay còn gọi là bộ đếm thuận) là bộ đếm mà mỗi khi có tín

hiệu đếm X thì trạng thái trong của bộ đếm tăng lên 1

Bộ đếm lùi (hay còn gọi là bộ đếm nghịch) là bộ đếm mà mỗi khi có tín

hiệu đếm X thì trạng thái của bộ đếm giảm đi 1

Bộ đếm vừa có khả năng đếm tiến và đếm lùi gọi là bộ đếm tiến lùi (T/L).

 Bộ đếm có khả năng lập trình hoá là bộ đếm có thể sử dụng hệ số

đếm khác nhau tuỳ thuộc tín hiệu điều khiển đa vào nó Do vậy bộ

đếm này "mềm dẻo" và đa năng hơn các bộ đếm khác là những bộ

Dới đây sẽ dới thiệu một số mã thờng dùng để mã hoá bộ đếm

đồng thời có thể thu đợc các mạch đếm khác nhau

Khi có xung tác động vào bộ

đếm thì nó sẽ thay đổi trạng thái theo

từng nhịp xung và thiết lập cho ta

một bộ đếm nhị phân biểu diễn số

l-ợng xung tác động vào bộ đếm Một

bộ đếm tổng quát có thể đếm đợc

(n-1) xung còn xung thứ n thì nó đa bộ

đếm trở về trạng thái ban đầu (gọi là

trạng thái nghỉ )và khi này bộ đếm

8

Ví dụ nh: Triger đếm T là bộ đếm modun 2 và nó là cơ sở để tạo ra các bộ

đếm có modun bất kỳ Nếu ghép liên tiếp 4 Triger ta sẽ có một bộ đếm vớimodun đếm là 24=16 và dung lợng đếm là 15 xung Từ lí luận trên ta có bảngtrạng thái đối với bộ đếm 4 bít ( bảng 1.2)

Từ bảng 1.2 ta thấy: Lối ra Q0 thay đổi trạng thái theo mỗi xung vào Nói

cụ thể hơn: Xung thứ nhất xác lập Q0 lên 1, xung thứ hai xoá Q0 về 0 và cứ

nh thế tiếp tục ở các xung sau

ứng với 2 xung vào, đầu ra Q0 thiết lập đợc 1 xung, nh vậy Q0 là phépnhân chu kỳ của xung vào lên 2 hay là phép chia tần số của xung vào đi 2

- Lối ra Q1 chỉ lật trạng thái từ 0  1 (hoặc ngợc lại) khi Q0 chuyển từ1 0 (tại sờn âm của xung ra Q0) Hiện tợng xảy ra tơng tự đối với Q2 và Q3 Nói một cách tổng quát: Trạng thái của Triger bất kỳ sẽ chuyển khi Triger cấpthấp hơn chuyển trạng thái từ giá trị 1 về giá trị 0

Rõ ràng, xung vào kích thích cho phần tử có lối ra Q0, Q0lại kích thíchcho phần tử có lối ra là Q1 v.v Mỗi phần tử đếm lại có lật trạng thái tại sờn âmcủa xung vào và chia hai tần số xung vào này Chức năng logic nh thế hoàn toàn

đợc thực hiện nhờ FF-MS nh loại JK-MS hoặc D - MS Đơng nhiên có thể sửdụng FF thông thờng khác nhng khi đó phải thực hiện các phép đấu sao cho đầu

ra có mã không đổi

Bộ đếm thực hiện theo nguyên tắc này đợc gọi là bộ đếm nối tiếp hay bộ

đếm không đồng bộ (dị bộ).

Trạng thái của Triger bất kỳ sẽ chuyển khi tất cả các Triger cấp thấp hơn

nó đã ở trạng thái giá trị 1 V dụ Q2 sẽ lật trạng thái khi Q1, Q0 đã đều ở mức 1.Nhận xét này là cơ sở để xây dựng bộ đếm song song hay bộ đếm đồng bộ

Đồ thị xung mô tả bảng trạng thái (bảng1.2) ở hình 1.1 Từ đồ thị dạngsóng một lần nữa thấy lại các nhận xét đã nêu ở trên Đồng thời đồ thị cũng làmsáng tỏ một điều là bộ đếm đồng thời là bộ chia tần Sự khác nhau giữa bộ đếm

và bộ chia tần là ở chỗ: Với bộ đếm kết quả đợc lấy ra trên tất cả đầu ra, còn

đối với bộ chia tần chỉ lấy 1 ở đầu ra.Ví dụ ta lấy Q1 có kết quả chia 4, Q3 có kếtquả chia 16

Cần chú ý rằng: Bộ chia tần cha hẳn là bộ đếm Sau đây là hình 1.1

1.2.2 Bộ đếm nhị phân:

ở mục trớc đã có định nghĩa về bộ đếm nhị phân vì mod đếm nhị phân

t-ơng ứng với vòng đếm 2n nên bảng 1.2 và đồ thị hình 1.1 vừa mang tính tổngquát chung vừa mang đặc trng riêng của bộ đếm nhị phân Trong mục này ta sẽ

đi sâu xét một số bộ đếm nhị phân

1.2.2.1 Bộ đếm nhị phân nối tiếp.

Nh đã nói ở mục 1.1.2.3, phân tử đếm sẽ là các FF có khả năng chia tần sốxung vào ra 2 Bộ đếm nối tiếp đợc tạo ra bằng cách lấy xung ra của FF trớc kíchthích cho các FF sau Hình 1.2 là sơ đồ bộ đếm nhị phân 4 bít dùng FF-JK

Để đóng chức năng chia đôi tần số xung vào, 4 FF trong bộ đếm đều có

mức cao (H) là mức 1 trên các cực J, K.

Hình 1.2

Đây là FF kích thích tại sờn âm, nên F1 làm nhiệm vụ chia đôi tần số xungnhịp đầu vào Sờn âm của xung nhịp thứ nhất lập Q0 từ 1 về 0 FF F2 lại tiếp tụcchia đôi tần số xung ra trên Q0 của F1 Việc chia nh thế đợc thực hiện một cáchnối tiếp lần lợt từ F1 cho đến F4 Điều này đã đợc trình bày ở phần nguyên tắcxây dựng bộ đếm

1.2.2.2 Bộ đếm nhị phân song song.

Trong bộ đếm nhị phân song song hay còn gọi là bộ đếm đồng bộ đợc xâydựng theo nhận xét thứ hai từ bảng 1.2

Điểm khác cơ bản giữa bộ đếm song song và bộ đếm nối tiếp là: xung

đếm đợc đa vào trực tiếp đồng thời đến các lối vào đồng bộ của các FF Con ờng tín hiệu phải đi bây giờ chỉ từ đầu vào tới đầu ra của mỗi phân tử Nhờ vậy

đ-J

1 Q

0

CK

mà bộ đếm nhị phân song song đã giảm đợc trễ truyền lan đi N lần, khắc phục

đ-ợc nhđ-ợc điểm cơ bản của bộ đếm nối tiếp

Hình 1.3 là mạch điện của bộ đếm nhị phân 2 bít dùng FF-JK

Hình 1.3

Về thực chất nguyên tắc hoạt động của bộ đếm này cũng giống bộ đếmnối tiếp, đều tuân theo bảng trạng thái bảng 1.2 Các FF: F1 và F2 đều lật trạngthái khi thoả mãn 2 yếu tố: có xung vào trên cực C và có J = K = 1

ở trạng thái đầu, các lối ra Q0, Q1 đều bị xoá về 0

Xung thứ nhất đều tác động lên F1 và F2, tuy nhiên F1 do có J1 = K1 = 1nên Q0 lật từ 0 lên 1 Trong khi đó F2 có J2 = K2 = 0 (tại thời điểm tác động) nênlối ra Q1 của nó giữ nguyên trạng thái 0 ban đầu

Với xung nhịp thứ 2: Trigơ F1 chuyển Q0 từ 1 về 0 (Hai xung vào cho mộtxung ra) Trigơ F2 chuyển từ 0 lên 1 do J2 = K2 = Q0 = 1

Khi có xung nhịp thứ 3: Hiện tợng xảy ra giống nh đối với xung nhịp thứnhất nghĩa là Q0 từ 0 chuyển lên 1 còn Q1 giữ nguyên trạng thái trớc đó Tác

động của xung thứ 4 đồng thời xoá cả Q0 và Q1 về 0

Bảng 1.3 và hình 1.4 là bảng trạng thái và đồ thị thời gian về hoạt độngcủa bộ đếm nhị phân đồng bộ hai bít

bộ 4 bít đợc tổ chức theo cách vừa nói.

đồng bộ lại với nhau Lối vào CE0 và lối ra CE1 là để phục vụ cho mục đích này

1.2.3 Bộ đếm modun bất kỳ M.

Một mạch đếm trở về trạng thái đầu, hay một trạng thái xác định trớc, sau

M xung đếm gọi là bộ đếm modun bất kỳ, hay bộ đếm modun M

Các đặc tính chung của bộ đếm modun bất kỳ.

Khi thiết kế các mạch đếm mod M ta cần lu ý một số điểm sau:

Sau khi đã xác định M (tuỳ theo yêu cầu sử dụng) ta chọn một số N FFtối thiểu sao cho 2N ≥ M.

Với N FF có 2N trạng thái nhng ta chỉ sử dụng M trạng thái do đó sốtrạng thái không sử dụng sẽ là 2N - M Vấn đề chọn trạng thái nào, bỏ trạng tháinào là tuỳ thuộc vào ngời thiết kế, miễn sao thoả mãn đợc yêu cầu sử dụng(chẳng hạn yêu cầu về dạng mã sử dụng) và nhất là để tạo ra đợc một mạchcàng đơn giản thì càng tốt Vì vậy với cùng M và N có thể có rất nhiều dạngmạch khác nhau

thay đổi tuỳ theo mã sử dụng Thông

dụng nhất là loại mã BCD 8421 Mạch

cần dùng 4 FF, nghĩa là ta có tất cả 16

trạng thái khác nhau, tuy nhiên ta chỉ cần

10 trạng thái để biểu diễn các số từ 0

đến 9 cho nên ta phải bỏ đi 6 trạng thái

Loại mạch đếm BCD cũng có thể đ ợc

kích thích đồng bộ hoặc không đồng bộ

Vì vậy, Có thể tạo ra nhiều dạng mạch

khác nhau D ới đây ta chỉ xét một tr ờng

hợp tiêu biểu cho loại mã BCD 8421

Bảng 1.4 Mạch đếm BCD kích th ớc không đồng bộ.

Bảng chân lý cho mạch đếm BCD 8421 nối tiếp nh bảng B.1.4 Quansát bảng chân lý ta thấy:

Sau lần kích thứ 10 mạch trở về trạng thái 0000 Còn trong khoảng từ 0

đến 9, các trạng thái có dạng số nhị phân

Q0 chuyển đổi trạng thái sau mỗi lần kích thích

Q1 chỉ chuyển đổi trạng thái khi Q0 từ 1 xuống 0 Trừ trờng hợp cuốicùng khi Q3 =1

Q2 chuyển đổi trạng thái theo Q1 khi Q1 từ 1 xuống 0

Có thể coi Q3 chuyển đổi trạng thái theo Q0 khi Q0 từ 1 xuống 0 Nhng

Q3 kìm trong suốt thời gian từ 0 đến 7

Trong sơ đồ trên F1 kích thích cả F2 và F4 Tuy nhiên, F4 có Q3 chỉ lên

1 khi Q1 = Q2=1 Ngợc lại khi Q3 = 1 thì Q2, Q1 bị kìm ở trạng thái 0

1.2.5 Bộ đếm tiến, lùi, tiến lùi.

Bộ đếm tiến, lùi hay còn gọi là bộ đếm thuận, nghịch đã đợc định nghĩa

ở phần 1.2c trong mục này ta sẽ đi sâu xét cấu tạo của chúng Về phơng diệnmạch điện, bộ đếm tiến cũng đã đợc xét trong các ví dụ trớc do vậy ở đây tachỉ xét bộ đếm lùi và bộ đếm tiến lùi

1.2.5.1 Bộ đếm lùi.

Nh đã biết mỗi FF đều có 2 lối ra đối nhau là Q và Q Để thiết lập bộ

đếm lùi ta sử dụng lối ra Q nh là lối ra kích thích

Hình 1.7 là bộ đếm lùi nhị phân nối tiếp Trong sơ đồ này các lối ra

đếm vẫn nh bộ đếm nhị phân thông thờng Để có đếm lùi lối ra kích thích chocác FF sau lấy từ Q Đồ thị thời gian mô tả hoạt động của bộ đếm cho hìnhtrên hình 1.8

Trong hình 1.8 Q0 là trạng thái đợc kích thích tại mỗi sờn âm xung nhịp

C Các FF còn lại do có cực C nối với Q của FF trớc kề nó, tức là lật trạng thái ở sờn dơngcác đầu ra Q của FF trớc liền kề nó Để có trạng thái đầu là 1111, trong mạch điện bộ đếmcòn có lối vào phụ PRE (lập 1)

Bộ đếm lùi cũng có thể đợc thiết lập bằng cách lấy Q của các phần tử đếm làm đầu

ra đếm nh hình 1.9 ở trạng thái đầu nếu Q0 = Q1 = Q2 = 0 thì Q0 = Q1 =Q2 = 1 Nếu

bộ đếm lùi nếu đầu ra đếm lấy ở Q Tức là về nguyên tắc ta có thể dùng

ph-ơng pháp này để tạo ra bộ đếm vừa có tính năng đếm tiến vừa có tính năng

đếm lùi Tuy nhiên, khi đó số lối ra sẽ tăng gấp đôi - Đây là một điều khôngmong muốn Trong thực tế kỹ thuật để giảm bớt số lối ra ngời ta lắp thêm mộtkhoá điều khiển T/L để chuyển đổi kích thích cho bộ đếm Các đầu ra vẫn cố

định ở Q Một bộ đếm nh thế gọi là bộ đếm tổng hợp hay bộ đếm tiến lùi(thuận/ngịch)

1

J

2

CK

2

J

3

CK

1

R

2

R

J

2 Q

1

CK

2

R

1

1

O >

Q

3

 Bộ nhớ số liệu động RAM 128 byte.

 32 cổng giao tiếp ngoài

 Hai bộ đếm thời gian16-bít

 5 ngắt (interrupt)

 Một bộ dao động thạch anh chuẩn tần số lớn

 4Kb lập trình trong chip

2.1.2 Sơ đồ của IC 8051 của hãng Intel.

Internal interrupts ngắt trong

external interrupts ngắt ngoài

OSC Bộ dao động thạch anh

4K ROM Bộ xử lý trung tâm chỉ đọc đợc

128 K bytes RAM Bộ nhớ số liệu có thể ghi và đọc đợc

CPU bộ xử lý trung tâm

Bus control Các đờng dẫn

I/O ports Các cổng vào và ra

Serial ports Cổng nối tiếp

Timer 1, timer 0 Bộ đếm thời gian

Các bộ nhớ của IC 8051.

RAM ( Random Access Memory)

Trong IC 8051 RAM đợc cấu tạo bởi các thanh nhớ với các địa từ 0FH

đến 7FH đợc chỉ trình bày nh sau: 4 dải (bank) đầu tiên, mỗi dải là mộtthanh ghi 8 bít có địa chỉ từ 00H đến 17FH đợc sử dụng làm các thanhghi có địa chỉ (INTOO , INTO1, INTO2, Từ địa chỉ 18H đến 1FH làINTO3 Từ địa chỉ 20H đến địa chỉ 2FH làm các thanh ghi địa chỉ, từ địachỉ 30H đến địa chỉ 7FH gồm 80 bytes để ghi các thông tin với các mục

đích khác nhau