Đồ án kĩ THUẬT VI điều KHIỂN BKĐN GVHD PHẠM QUỐC THÁI

Trong xu hướng chung đó,vận dụng những kiến thức mà chúng em đã được học trong quá trình học tập ở trường cũng như tìm hiểu thêm nhóm 5 sinh viên chúng em thực hiện đồ án thị vị trí bàn

LỜI NÓI ĐẦU

Cho đến thời điểm hiện tại

nhân loại đã và đang trải qua những sự phát triển vượt bậc về mọi mặt.Trong đó lĩnh vực điện

- điện tử - tự động hoá đóng một vai trò rất quan trọng, giúp con người có những tiến bộ vượt bậc trong nhiều lĩnh vực mà lĩnh vực Ô tô là một ví dụ điển hình.Trên thế giới, việc ứng dụng điện-điện tử vào ngành sản xuất ô tô với xu hướng tối ưu hóa, hiện đại hóa nhằm đem lại tiện ích và an toàn cho người lái cũng như những người tham gia giao thông khác đang được phát triển mạnh Tuy vậy ở Việt Nam việc nghiên cứu và ứng dụng các thành tựu của “vi điều khiển” còn khá mới mẻ

Trong xu hướng chung đó,vận dụng những kiến thức mà chúng em đã được học trong quá

trình học tập ở trường cũng như tìm hiểu thêm nhóm 5 sinh viên chúng em thực hiện đồ án

thị vị trí bàn đạp ga bằng LCD (dùng cảm biến nhiệt độ

,ADC…).Đồ án này được áp dụng chủ yếu dựa vào vi điều khiển, mà thực tế

là IC8051, với mục đích giúp chúng em hiểu một cách tường tận hơn các kiến thức về vi điều khiển, cách đọc, viết và nhận biết về các chân IC, xây dựng mạch nguyên lý…

Các ứng dụng của vi điều khiển rất đa dạng và phong phú.Từ những ứng dụng đơn giản

chỉ có vài thiết bị ngoại vi cho đến những hệ thống điều khiển phức tạp Đặc biệt là các ứng dụng trên ô tô như hệ thóng phanh, lái, an toàn Tuy nhiên do phạm vi trình độ của chúng em còn hạn chế, nên việc nghiên cứu và tìm hiểu về vi điều khiển còn nhiều vướng mắc, do đây

là lần đầu tiên áp dụng vào thực tế cũng như là môn đầu mới áp dụng vào cho nghành nên viêc học hỏi gặp nhiều khó khăn hơn Trong quá trình làm đề tài chúng em xin chân thành

cám ơn thầy Phạm Quốc Thái đã tận tình chỉ bảo, định hướng cho chúng em hoàn thành tốt

đồ án

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2011

NỘI DUNG THUYẾT MINH ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI ĐIỀU KHIỂN

1.1 Khái quát chung về vi điều khiển:

Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống Theo chương trình điều khiển đã nạp sẵn bên trong chip, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, sau

đó dựa vào kết quả của quá trình xử lý để đưa ra các thông báo, tín hiệu điều khiển tiến hành điều khiển quá trình hoạt động của các thiết bị bên ngoài Vi điều khiển được ứng dụng trong rất nhiều sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng, các

bộ vi điều khiển điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, điện thoại, lò vi-ba Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động Các

hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng

1.2 Lịch sử phát triển của vi điều khiển

Bộ vi điều khiển thực ra là một loại vi xử lí trong tập hợp các bộ vi xử lý nói chung Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lí, từ những năm 1970

do sự phát triển và hoàn thiện về công nghệ vi điện tử dựa trên kỹ thuật MOS Semiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một chip ngày càng cao Năm 1971 xuất hiện bộ vi xử lí 4 bit loại TMS1000 do công ty texas Instruments vừa là nơi phát minh vừa là nhà sản xuất Nhìn tổng thể thì bộ vi xử lý chỉ có chứa trên một chip những chức năng cần thiết để xử lý chương trình theo một trình tự, còn tất cả bộ phận phụ trợ khác cần thiết như: bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ chuyển đổi AD, khối điều khiển, khối hiển thị, điều khiển máy in, nối đồng hồ và lịch là những linh kiện nằm ở bên ngoài được nối vào bộ vi xử lý

(Metal-Oxide-Mãi đến năm 1976 công ty INTEL (Intelligen-Elictronics) mới cho ra đời bộ vi điều khiển đơn chip đầu tiên trên thế giới với tên gọi 8048 Bên cạnh bộ xử lý trung tâm, 8048 còn

trên một chip Các công ty khác cũng lần lược cho ra đời các bộ vi điều khiển 8 bit tương tự như 8048 và hình thành họ vi điều khiển MCS-48.

Đến năm 1980 công ty INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển đơn chip với tên gọi 8951 Và sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loại với 8951 ra đời và hình thành

họ vi điều khiển MCS-51

Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS51 đã có đến 250 thành viên và hầu hết các công ty hàng dẫn đầu thế giới chế tạo Đứng đầu là công ty INTEL và rất nhiều công ty khác như : AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS, OKI …

1.3 Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển

Sơ đồ khối chung của hầu hết các bộ vi điều khiển bao gồm CPU, bộ nhớ ROM hay EPROM và RAM, mạch giao tiếp, mạch giao tiếp song song, bộ định thời gian, hệ thống ngắt

và các BUS được tích hợp trên cùng một chip

2 Kiến trúc của vi điều khiển 8951

IC vi điều khiển 8951 thuộc họ MCS51 có các đặc điểm sau :

+ 4 kbyte ROM

+ 128 byte RAM

+ 4 port I/0 8 bit

+ Hai bộ định thời 16 bits

+ Giao tiếp nối tiếp

+ Quản lý được 64K bộ nhớ chương trình bên ngoài

+ Quản lý được 64K bộ nhớ dữ liệu bên ngoài

+ 210 vị trí nhớ được định địa chỉ bit

+Thực hiện phép nhân/chia trong 4µs

2.1 Cấu trúc bên trong của AT89C51:

Sơ Đồ Khối 8951

Phần chính của vi điều khiển 8951 là bộ xử lí trung tâm (CPU: central processing unit) bao gồm :

+ Thanh ghi tích lũy A

+ Thanh ghi tích lũy phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia

+ Đơn vị logic học (ALU : Arithmetic Logical Unit )

+ Từ trạng thái chương trình (PSW : Prorgam Status Word)

+ Bốn băng thanh ghi

BUS CONTROL

SERIAL PORT

EXTERNAL

INTERRUPTS

CPU

ON - CHIP RAM

ETC TIMER 0 TIMER 1

ADDRESS/DATA

TXD RXDP

0 P1 P2 P3

Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển ngắt ở bên trong Các nguồn ngắt có thể là: các biến cố ở bên ngoài, sự tràn bộ đếm định thời hoặc cũng có thể

là giao diện nối tiếp

Hai bộ định thời 16 bit hoạt động như một bộ đếm

Các cổng (port0,1,2,3), sử dụng vào mục đích điều khiển Ở cổng 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một bộ nhớ bên ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường ngắt dẫn bên ngoài Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng bộ, làm việc độc lập với nhau.Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt trong dãi rộng và được ấn định bằng một bộ định thời

Trong vi điều khiển 8951 có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ và các thanh ghi :

+ Bộ nhớ gồm có bộ nhớ RAM và bộ nhớ ROM dùng để lưu trữ dữ liệu và mã lệnh.+ Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí Khi CPU làm việc nó làm thay đổi nội dung của các thanh ghi

1.2 Sơ đồ và chức năng các chân:

Sơ đồ các chân ra trên vỏ của các vi mạch MCS-51 như hình dướ đây

1 2

1 3

1 4

1 5 1 2 3 4 5 6 7

Vi điều khiển 8951 có 32 trong 40 chân có chức năng như là các cổng I/O, trong đó 24 chân được sử dụng với hai mục đích Nghĩa là ngoài chức năng cổng I/O, mỗi chân có công dụng kép này có thể là một đường điều khiển của Bus địa chỉ hay Bus dữ liệu hoặc là mỗi chân hoạt động một cách độc lập để giao tiếp với các thiết đơn bit như là công tắc, LED, transistor…

a.Port0: là port có 2 chức năng, ở trên chân từ 32 đến 39 của MC 8951 Trong các thiết

kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ ngoài, P0 được sử dụng như là những cổng I/O

Còn trong các thiết kế lớn có yêu cầu một số lượng đáng kể bộ nhớ ngoài thì P0 trở thành các đường truyền dữ liệu và 8 bit thấp của bus địa chỉ

b Port1: là một port I/O chuyên dụng, trên các chân 1-8 của MC8951 Chúng được sử dụng với một múc đích duy nhất là giao tiếp với các thiết bị ngoài khi cần thiết

c Port2: là một cổng có công dụng kép trên các chân 21 – 28 của MC 8951 Ngoài chức năng I/O, các chân này dùng làm 8 bit cao của bus địa chỉ cho những mô hình thiết kế có

bộ nhớ chương trình ROM ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu RAM có dung lượng lớn hơn 256 byte

d Port3: là một cổng có công dụng kép trên các chân 10 – 17 của MC 8951 Ngoài chức năng là cổng I/O, những chân này kiêm luôn nhiều chức năng khác nữa liên quan đến nhiều tính năng đặc biệt của MC 8951, được mô tả trong bảng sau:

Bit Tên Chức năng chuyển đổiP3.0

P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7

RxDTxD0INT1INTT0T1ÖWRRD

Ngõ vào dữ liệu nối tiếp

Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp

Ngắt ngoài 0

Ngắt ngoài 1

Ngõ vào TIMER 0

Ngõ vào của TIMER 1

Điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài

Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

Chức năng của các chân trên port3

e PSEN (Program Store Enable): 8951 có 4 tín hiệu điều khiển, PSEN là tín hiệu ra trên chân

29 Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép truy xuất bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các byte mã lệnh của chương trình Tín hiệu PSEN ở mức thấp trong suốt phạm vi quá trình của một lệnh Các

mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8951 để giải mã lệnh Khi thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức cao

f ALE (Address Latch Enable ): Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bị làm việc với các xử lý 8585, 8088 8951 dùng ALE để giải đa hợp bus địa chỉ và dữ liệu, khi port

0 được dùng làm bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp: vừa là bus dữ liệu vừa là byte thấp của địa chỉ 16 bit ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ Sau đó, các đường Port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nữa sau chu kỳ của chu

kỳ bộ nhớ

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng là nguồn xung nhịp cho các hệ thống Nếu xung trên 8951 là 12MHz thì ALE có tần số 2MHz Chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong 8951

g EA (External Access): Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được nối lên mức cao (+5V) hoặc mức thấp (GND) Nếu ở mức cao, 8951 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp (4K) Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng Người

ta còn dùng chân EA làm chân cấp điện áp 21V khi lập trình cho EPROM trong 8951

h RST (Reset): Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8951 Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy), các thanh ghi trong 8951 được đưa vào những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống

i.OSC: 8951 có một bộ dao động trên chip, nó thường được nối với thạch anh giữa hai chân

18 và 19 Tần số thạch anh thông thường là 12MHz

j POWER: 8951 vận hành với nguồn đơn +5V Vcc được nối vào chân 40 và Vss (GND) được nối vào chân 20

1.3 Tổ chức bộ nhớ:

Bộ nhớ của MCS-51 bao gồm :bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài

Bộ nhớ ngoài

Bộ nhớ chương trình 64 KB0000h-FFFFh

Điều khiển bằng PSEN

Bộ nhớ dữ liệu 64 KB0000h-FFFFh

Điều khiển bằng RD và WR

từ bộ nhớ chương trình ngoài bằng tín hiệu /PSEN, còn bộ nhớ số liệu ngoài được truy nhập bằng các tín hiệu /WR và /RD, do có bộ nhớ chương trình và bộ nhớ số

liệu ngoài có thể dùng chung bus địa chỉ A0 A15.Bộ nhớ số liệu trong của họ MCS-51 có địa chỉ từ 00h đến FFh, trong đó nhóm 8052 có đủ 256 byte RAM, nhóm 8051 chỉ có 128 byte RAM ở các địa chỉ thấp từ 00h đến 7fh, vùng địa chỉ cao từ 80h đến FFh được dành cho các thanh ghi chức năng đặc biệt SFR Tổ chức vùng 128 byte thấp bộ nhớ số liệu RAM trong của họ MCS-51như trên hình 3, nó được chia thành ba miền

-Miền các băng thanh ghi chiếm địa chỉ từ 00h đến 1fh có 32 byte chia thành băng, mỗi băng có 8 thanh ghi được đánh số từ R0 đến R7

-Tại mỗi thời điểm chỉ có một băng thanh ghi có thể truy nhập và được gọi là băng tích cực Để chọn băng tích cực cần nạp giá trị thích hợp cho các bít RS0 và RS1 của thanh ghi từ trạng thái PSW, mặc định bằng 0 là tích cực Miền RAM được định địa chỉ bít có 16 byte 8 bít = 128 bít, chiếm địa chỉ từ 20h đến 1fh Mỗi bít ở miền này được định địa chỉ riêng

từ 00h đến 7fh nên có thể truy nhập đến từng bít riêng rẽ bằng các lệnh xử lý bít Vùng RAM được định địa chỉ bít và các lệnh xử lý bít là một trong những đặc tính nổi bật đem lại sứcmạnh cho họ bộ vi điều khiển MCS-51

-Miền RAM thông thường có 80 byte chiếm địa chỉ từ 30h đến 7fh Các thanh ghi chức năng đặc biệt (viết tắt theo tiếng Anh là SFR) là tập các thanh ghi bên trong của bộ vi điều khiển Họ MCS-51 định địa chỉ cho tất cả các SFR ở vùng 128 byte cao của bộ nhớ số liệu trong (xem hình 2), mỗi SFR có tên gọi và địa chỉ riêng, một số SFR có định địa chỉ cho từng bít Khi bật nguồn hoặc RESET, tất cả các SFR đều được nạp giá trị đầu, sau đó chương trình cần nạp lại giá trị cho các SFR cần dùng theo yêu cầu sử dụng

-Việc truy nhập đến các SFR chỉ có thể thực hiện bằng phương pháp địa chỉ

trực tiếp với tên gọi hoặc địa chỉ của SFR là toán hạng của lệnh Với các SFR có

định địa chỉ bít, có thể truy nhập và thay đổi trực tiếp từng bít.của nó bằng các lệnh xừ lý bít Bảng 2 cho biết thông tin chủ yếu về các SFR

-Ở nhóm 8051vùng 128 byte cao của bộ nhớ số liệu trong chỉ có các SFR,

không tồn tại các ô nhớ khác ở vùng nhớ này Ở nhóm 8052 bộ nhớ số liệu trong

có 256 byte RAM, các ô nhớ của vùng RAM 128 byte cao chỉ có thể truy nhập được bằng phương pháp địa chỉ gián tiếp, còn các SFR cũng có địa chỉ nằm trong

vùng đó nhưng chỉ truy nhập được bằng phương pháp địa chỉ trực tiếp, vì thế việc

truy nhập chúng không bị xung đột và nhầm lẫn

RAM

7F

302F2E2D2C2B2A292827262524232221201F1817100F080700

1.4 Phần mềm lập trình vi điều khiển MCS-51

-Có thể viết trên ngôn ngữ Assembler hoặc các ngôn ngữ bậc cao khác như C, Basic,

Forth Tập lệnh Assembler của họ MCS-51 có 83 lệnh, được chia thành 5 nhóm là các lệnh

số học, các lệnh logic, các lệnh chuyển số liệu, các lệnh xử lý bít và các lệnh rẽ nhánh Các lệnh xứ lý bít là điểm mạnh cơ bản của họ MCS-51, vì chúng làm cho chương trình ngắn gọn hơn và chạy nhanh hơn Chương trình Assembler được viết trên máy tính, sau đó phải dịch ra

mã máy của họ MCS-51 bằng trình biên dịch ASM51, rồi mới nạp Chương trình mã máy vào

bộ nhớ cho trình EEPROM (hoặc EPROM) ở bên trong hoặc bên ngoài MCS-51 Khi lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao như C, Basic, Forth cũng phải dịch chúng ra mã máy của họ MCS-51 bằng các trình biên dịch tương ứng, sau đó nạp chương trình mã máy vào bộ nhớ chương trình Nói chung, chương trình viết trên ngôn ngữ Assembler khó hơn viết trên ngôn ngữ bậc cao, nhưng khi dịch ra mã máy sẽ ngắn gọn hơn và chạy nhanh hơn các chương trình viết trên ngôn ngữ bậc cao Để viết và nạp phần mềm cho MCS-51, bạn phải có các công cụ

là máy vi tính, trình biên dịch ngôn ngữ sử dụng ra mã máy của họ MCS-51 và bộ nạp chương trình mã máy từ máy tính vào bộ nhớ chương trình EEPROM trong Mcs-51 hoặc bộ nhớ EPROM ngoài

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG THIẾT KẾ MÔ PHỎNG

Hiển thị ra LCD LM032L

CHƯƠNG III: KHẢO SÁT CÁC LINH KIỆN DÙNG TRONG MÔ PHỎNG

3.1.Giới thiệu về cảm biến:

- Trong sơ đồ mô phỏng đối với các mạch mô phỏng bằng phần mềm Proteus ta có thể thay thế các cảm biến bằng các biến trở tượng trưng cho chức năng hoạt động như cảm biến

vì vậy trong đồ án này chúng em đã sử dụng biến trở để thay thế cho cảm biến như trong phần mềm mô phỏng

3.2 Chip ADC 0804.

Chíp ADC 0804 là bộ chuyển đổi tương tự sang số trong họ các loạt ADC 0800 từ hãng National Semiconductor Nó cũng được nhiều hãng khác sản xuất, làm việc với +5V và có độ phân giải là 8 bít Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân Trong ADC 0804 thời gian

Khối cảm biến

Qua chip AT89C51

Khối ADC0804

Lực tác dụng tính bằng %

Bắt đầu

chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110µs Các chân của ADC 0804 được mô tả như sau:

Chân CS- chọn chíp: Là một đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích hoạt chíp ADC

0804 Để truy cập ADC 0804 thì chân này phải ở mức thấp

Chân RD(đọc): Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực mức thấp Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong

RDđược sử dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC 0804 Khi CS = 0 nếu một xung cao - xuống - thấp được áp đến chân RDthì đầu ra số 8 bít được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 - D7 Chân RD cũng được coi như cho phép đầu ra

Chân ghi WR(thực ra tên chính xác là “Bắt đầu chuyển đổi”) Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC 0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi

WRtạo ra xung cao - xuống - thấp thì bộ ADC 0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tương

tự Vin về số nhị phân 8 bít Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR được ép xuống thấp bởi ADC 0804

Chân CLK IN và CLK R:Chân CLK IN là một chân đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo ra thời gian Tuy nhiên ADC 0804 cũng có một

bộ tạo xung đồng hồ Để sử dụng bộ tạo xung đồng hồ trong (cũng còn được gọi là bộ tạo đồng hồ riêng) của 804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụ điện và một điện trở như chỉ ra trên hình 3.6.1 Trong trường hợp này tần số đồng hồ được xác định bằng biểu

thức: f =1,11RC

Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C= 150pF và tần

số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110µs

Chân ngắt INTR(ngắt hay gọi chính xác hơn là “kết thúc chuyển đổi’).Đây là chân đầu ra tích cực mức thấp Bình thường nó ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 và gửi một xung cao 0 xuống - thấp tới chân RDlấy dữ liệu ra của 804