Đồ án kĩ THUẬT VI điều KHIỂN BKĐN GVHD PHẠM QUỐC THÁI (4)

Một số vi mạch được sử dụng đó là kỹ thuâtj vi điều khiển .Nhờ tính năng ưu việt của bộ vi điều khiển như:”khả năng lập trình phù hợp với thiết kế nhỏ và lớn cũng như giao tiếp với các t

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại ngày nay đại đa số các lĩnh vực sản xuất,điều khiển ,giám sát

đo lường đếu được trang bị hệ thống tự động hóa Một số vi mạch được sử dụng

đó là kỹ thuâtj vi điều khiển Nhờ tính năng ưu việt của bộ vi điều khiển như:”khả năng lập trình phù hợp với thiết kế nhỏ và lớn cũng như giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và máy tính đã đem lại sự chính xác hoàn hảo thông qua giao tiếp giữa con người và máy tính”

Vi điều khiển quản lý và điều khiển thông qua hoạt động của hệ thống qua phần mền nhờ vậy mà ta có thể mở rộng và thay đổi hoạt động một cách dễ dàng bằng cách thay đổi thong số trong chương trình chạy của mạch phù hợp với yêu cầu thực tế.Vi điều khiển hoạt động theo chương trình đã nạp sẵn đọc qua các tín hiệu bên ngoài vào và sau đó lưu trữ và xử lý ,trên cơ sở đó đưa ra các thong số ,tín hiệu điều khiển các thiêt bị bên ngoài hoạt động theo đúng như chương trình

đã lập trình sẵn

Trong cuộc sống hôm nay vấn đề giao thông đi lại đã trở thành một vấn đề khá phức tạp vì do sự phất triển của con người cùng với sự bùng nổ dân số thì giao thong trở thanh 1 bài toán khó cho xã hội Trong đồ án môn học của nhóm chúng

em đưa ra 1 vấn đề không phải là mới nhưng phù hợp với thực tiễn cuộc sống đó

là việc sử dụng hệ thống “ đèn giao thông “ ở các nút giao thông có lượng người tham gia đông và tập trung nhằm giải quyết vấn đề tắc nghễn giao thông

Qua nỗ lực tìm tòi cùng với sự hướng dẫn của thầy Phạm Quốc Thái đã giúp chúng em hoàn thành xong đồ án vi điều khiển này.Trong quá trình tính toán nếu

có gì sai sót không hợp lý chúng em mong Thầy thông cảm, giúp đỡ chỉ bảo them cho chúng em để rút ra những kinh nghiệm quý báu

Chúng em xin chân thành cám ơn sụ giúp đỡ của Thầy và của mọi người Nhóm 02

MỤC LỤC

1.Giới thiệu chung về vi điều khiển 3

1.1.Lý do chọn đề tài 3

1.2.Mô tả hoạt động của hệ thống 4

1.3.Phương án thiết kế 4

1.4.Cấu trúc phần cứng của AT89C51 5

1.5 Cấu trúc bên trong vi điều khiển 6

2 Khảo sát bộ vi điều khiển 8051 8

2.1 IC AT89C51 8 2.2 Các thanh ghi chức năng đặc biệt 12

2.3 Hoạt động của bộ định thời 14

2.4 Các chế độ định thời 16

3.Thiết kế và mô phỏng mạch 18

3.1.Nguyên lý hoạt động 18

3.2.Sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thông 21

3.3.Sơ đồ thuật toán chương trình chính 22

3.4.Chương trình điều khiển 23

1.Giới thiệu chung về vi điều khiển

_Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Ngành điện tử nói chung đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể Trong đó vi xử lí là lĩnh vực đã thực

sự mang lại những hiệu qủa chính xác và gọn nhẹ trong quá trình điều khiển, sản xuất_Vi điều khiển (Microcontroller): vi điều khiển là một con chíp (NHỎ) có chức năng tính toán bao gồm một phần lõi nhỏ bộ xử lý, bộ nhớ và các phần ngoại vi vào ra có thể lập trình được Còn vi điều khiển thì thường ứng dụng trong các mạch điện điều khiển Để chạy vi điều khiển trong một mạch điều khiển thì phải sử dụng một chương

trình nạp vào nó rồi cắm nó vào mạch điều khiểnVi điều khiển là một máy tính được

tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương

tự và tương tự sang số, Ở máy tính thì các mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài.Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống

nhúng Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt , lò vi sóng , điện thoại , đầu đọc DVD , thiết bị đa phương tiện , dây chuyền tự động , v.v_ Bắt đầu xuất hiện từ năm 1980 trải qua gần 30 năm phát triển đã có rất nhiều biến thể được sản xuất bởi trên 20 hãng khác nhau trong đó phải kể đến các hãng lớn như ATMEL, Texac ,Philip ,Itrument … Tại Việt Nam các biến thể của hãng ATMAL như AT89C51,AT89C52,AT89S51…đã xuất hiện trên thị trương nước ta khá lâu và được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại vi điều khiển 8 bit

1.1.Lý do chọn đề tài:

Trong hệ thống giao thông hiện nay ở nước ta , vấn đề an toàn giao thông

và tránh ùn tắc ở các đô thị và thành phố lớn là một trong những vấn đề hết sức cấp bách và được toàn xã hội quan tâm Vì vậy các phương tiện hướng dẫn giao thông đóng vai trò rất quan trọng , nó góp phấn hạn chế các xung đột xảy ra khi tham gia giao thông Tại các đô thị thì hệ thống điều khiển đèn giao thông là rất quan trọng Hệ thống điều khiển đèn giao thông không những có tác dụng hạn chế các xung đột trong giao thông thành phố mà còn là công cụ điều khiển các luồng giao thông nhằm hạn chế ùn tắc- một vấn đề nan giải tại các thành phố lớn.Vì lý

do trên chúng em quyết định chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống đèn điều khiển giao thông” cho đồ án môn học “ Vi điều khiển”.

1.2.Mô tả hoạt động của hệ thống:

Mật độ giao thông phát triển mạnh mẽ ở các nước đòi hỏi hệ thống điều khiển giao thông phải chính xác , linh hoạt , đơn giản nhưng phải hiệu quả Hệ thống đèn hai pha đã phần nào đáp ứng được các yêu cầu trên

Mỗi pha gồm các đèn : Xanh - Đỏ - Vàng điều khiển các phương tiện cơ giới

Hoạt động của từng pha ở chế độ điều khiển tự động như sau:

› Đèn xanh: Đèn xanh sáng trong 25 giây, hướng đi ứng với pha này được

phép đi

› Đèn vàng: Đèn vàng sáng trong 3giây,báo cho các phương tiện ứng với

pha này giảm tốc độ, chuẩn bị dừng lại

› Đèn đỏ: Đèn đỏ sáng trong 28 giây, các phương tiện ứng với pha này

dừng lại

› Khi đèn đỏ của làn đường này sáng thì đèn xanh của người đi bộ ở làn đường kia cũng sáng và ngược lại, cho phép người đi bộ qua đường khi đèn xanh của người đi bộ báo sáng.

1.3.Phương án thiết kế:

Hiện nay việc sử dụng các mạch số kết hợp với chíp vi điều khiển trong các

hệ thống điều khiển tự động đã trở nên rất ưu việt bởi những ưu điểm của nó như:

độ chính xác , khả năng lập trình được , tốc độ điều khiển nhanh , sử dụng đơn giản ,… Mặt khác kỹ thuật số, vi xử lý , vi điều khiển là lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ và có ứng dụng trong rất nhiều ngành sản xuất.Vì vậy mà ta sẽ thiết kế một hệ thống điều khiển giao thông đơn giản nhưng hiệu quả , chỉ sử dụng bộ vi điều khiển Tất cả các tín hiệu điều khiển được đưa đến khối hiển thị trực tiếp từ các cổng của bộ vi điều khiển Phần mạch số bao gồm khối giải mã và khối hiển thị Khối giải mã sử dụng IC giải mã SN74LS47 có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ vi xử lý sau đó giải mã đưa đến hiển thị trên các đồng hồ đếm

ngược.Khối hiển thị bao gồm các LED đơn sáng tắt và các LED 7 đoạn có nhiệm

vụ đếm ngược

Phương án này có ưu điểm là mạch gọn nhẹ , không quá phức tạp, cách thức bố trí linh kiện dễ dàng , lập trình đơn giản , dễ chỉnh sửa

1.4.Cấu trúc phần cứng của AT89C51:

AT89C51 là một họ IC vi điều khiển do hãng Intel của Mỹ sản xuất Chúng có đặc điểm như sau:

+8 KB EPROM bên trong

+128 Byte RAM nội

+4 Port xuất/nhập I/O 8 bit

+Giao tiếp nối tiếp

+64 KB vùng nhớ mã ngoài

+64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài

+Xử lí Boolean (hoạt động trên bit đơn)

+210 vị trí nhớ có thể định vị bit

+4 µs cho hoạt động nhân hoặc chia

Sơ đồ khối của AT89C51:

1.5 Cấu trúc bên trong vi điều khiển:

Tổ chức bộ nhớ:

Bảng đồ bộ nhớ data trên chip như sau:

Bộ nhớ bên trong AT89C51 bao gồm ROM và RAM RAM trong AT89C51 gồm nhiều thành phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt.

AT89C51 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard: có những vùng nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu Chương trình và dữ liệu có thể chứa bên trong AT89C51 nhưng AT89C51 vẫn có thể kết nối với 64Kbyte bộ nhớ chương trình và 64 Kbyte

dữ liệu

Hai đặc tính cần chú ý là:

+Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được định vị trong bộ nhớ và có thể truy xuất trực tiếp giống như các địa chỉ bộ nhớ khác

+Ngăn xếp bên trong RAM nội nhỏ hơn so với Ram ngoại

RAM bên trong AT89C51 được phân chia như sau:

+Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1FH

+RAM địa chỉ hóa từng bit có địa chỉ từ 20H đến 2FH

+RAM đa dụng từ 30H đến 7FH

+Các thanh ghi chức năng đặc biệt từ 80H đến FFH

2 Khảo sát bộ vi điều khiển 8051

Mạch điều khiển Led ma trận bằng IC 89C51 gồm các linh kiện sau:

2.1 IC AT89C51

Đây là bộ điều khiển trung tâm điều khiển hoạt động của mạch và là nơi lưu giữ chương trình chính cho mạch

Sơ đồ chân:

- IC AT89C51 có các đặc trưng: ROM - 4Kbyte, RAM - 128byte, có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập, trong đó có 24 chân có tác dụng kép (có nghĩa 1 chân có 2 chức năng), mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ liệu và bus địa chỉ, hai bộ định thời/đếm 16 bit, mạch tạo dao động và tạo xung clock trên chip.

- Mô tả các chân của IC AT89C51:

* Chân 40, Vcc: chân cung cấp điện, được nối lên nguồn 5V;

* Chân 20, GND: chân nối đất;

* Chân 32 – 39, Port 0: là port xuất nhập 8 bit hai chiều, được cấu hình làm bus địa chỉ (byte thấp) và làm bus dữ liệu đa hợp trong khi xuất nhập bộ nhớ dữ liệu ngoài và bộ nhớ chương trình ngoài

* Chân 1 – 8, Port 1: là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong Khi các logic 1 được ghi lên các chân của port 1, các chân này được kéo lên mức cao bởi các điện trở kéo lên bên trong và có thể được sử dụng như các cổng vào Khi làm nhiệm vụ là các port nhập, các chân của port 1 đang được kéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kéo lên bên trong.

* Chân 21 – 28, Port 2: là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong Khi các logic 1 được ghi lên các chân của port 2, các chân này được

sử dụng như các cổng vào Khi làm nhiệm vụ là các port nhập, các chân của port 2 đang được kéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kéo lên bên trong Port 2 tạo ra byte cao của bus địa chỉ trong thời gian tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chương trình ngoài, và trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 16 bit

* Chân 10 – 17, Port 3: là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong Khi các logic 1 được ghi lên các chân của port 3, các chân này được kéo lên mức cao bởi các điện trở kéo lên bên trong và có thể được sử dụng như các cổng vào Khi làm nhiệm vụ là các port nhập, các chân của port 3 đang được kéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kéo lên bên trong Port 3 còn được sử dụng làm các chức năng khác như:

* Chân P3.0 : ngõ vào port nối tiếp

* Chân P3.1 : ngõ ra port nối tiếp

* Chân P3.2 : ngõ vào ngắt ngoài 0

* Chân P3.3 : ngõ vào ngắt ngoài 1

* Chân P3.4 : ngõ vào bên ngoài của bộ định thời 1

* Chân P3.5 : ngõ vào bên ngoài của bọ định thời 0

* Chân P3.6 : điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

* Chân P3.7 : điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

* Chân 9, RST: Ngõ vào Reset Mức cao trên chân này trong 2 chu kì máy trong khi bộ dao động đang hoạt động sẽ reset AT89C51.

* Chân 19, XTAL1: Ngõ vào đến mạch khuyếch đại đảo của mạch dao động và ngõ vào đến mạch tạo xung clock bên trong chip

* Chân 18, XTAL2: Ngõ ra từ mạch khuyếch đại đảo của mạch dao động

Để tạo mach dao động cho AT 89C51 ta sử dụng linh kiện là hai tụ C1=C2=30pF,

và thạch anh dao động có tần số 12 MHz

* Chân 29, ngõ tín hiệu PSEN: PSEN là tín hiệu ngõ ra có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng thường được nói đến chân OE của EPROM cho phép đọc các byte mã lệnh PSEN ở mức thấp trong thời gian

Microcontroller 8051 lấy lệnh Các mã lệnh của chương trình được đọc từ Eprom qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 8951 để giải mã lệnh Khi 89C51 thi hành chương trình trong ROM nội, PSEN sẽ ở mức logic 1.

* Chân 30, ngõ tín hiệu điều khiển ALE: khi 89C51 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, port 0 có chức năng là bus dữ liệu, do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ra ALE dùng làm tín hiệu điều khiển để giải tín hiệu đa hợp các đường địa chỉ kết nối chúng với IC chốt Tín hiệu ra ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là địa chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 làn tần số dao động trên chip và có thể được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống Chân ALE được dùng làm ngõ vào xung lập trình cho Eprom trong AT89C51

* Chân 31, ngõ tín hiệu vào AE: thường được mắc lên mức 1 hoặc 0 Nếu ở mức 1, AT89C51 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 8 Kbyte Nếu ở mức 0, AT89C51 sẽ thi hành chương trình tự bộ nhớ mở rộng Chân

EA được lấy làm chân cấp nguồn 21V khi lập trình cho Eprom trong AT89C51

2.2 Các thanh ghi chức năng đặc biệt:

2.2.1 Các thanh ghi port xuất nhập

Các port của 8051 bao gồm port 0 ở địa chỉ 80H, port 2 ở địa chỉ A0H và port 3 ở địa chỉ B0H Tất cả các port đều được địa chỉ hóa từng bit Điều đó cung cáp một khả năng giao tiếp thuận lợi

2.2.2 Các thanh ghi timer.

8051 có 2 bộ đếm/định thời (counter /timer) 16 bit để xác định các khoảng thời gian hoặc để đếm các sự kiện Bộ định thời 0 có địa chỉ 8AH (TL0, byte thấp) và 8CH (TH0, byte cao); bộ định thời 1 có địa chỉ 8BH (TL1, byte thấp ) và 8DH (TH0, byte cao)

Hoạt động của bộ định thời được thiết lập bởi thanh ghi chế độ định thời TMOD (timer mode register) ở địa chỉ 89H, và thanh ghi điều khiển định thời TCON (timer control register) ở địa chỉ 88H Chỉ có TCON được định địa chỉ từng bit

2.2.3 Các thanh ghi port nối tiếp.

Bên trong 8051 có một port nối tiếp để truyền thông với các thiết bị nối tiếp như các thiết bị đầu cuối hoặc modem, hoặc để giao tiếp với các IC khác có mạch giao tiếp nối tiếp Một thanh ghi được gọi là bộ đếm dữ liệu nối tiếp SBUF ở địa chỉ 99H lưu giữ dữ liệu truyền đi và dữ liệu nhận về Việc ghi lên SBUF sẽ nạp dữ liệu để truyền về việc đọc SBUF sẽ lấy dữ liệu đã nhận được

Các chế độ hoạt động khác nhau được lập trình thông qua thanh ghi điều khiển port nối tiếp SCON ở địa chỉ 98H, thanh ghi này được định địa chỉ từng bit

2.2.4 Các thanh ghi ngắt.

8051 có một cấu trúc ngắt với 2 mức ưu tiên và 5 nguyên nhân ngắt Các ngắt bị

vô hiệu hóa sau khi reset hệ thống và sau đó được phép bằng cách ghi vào thanh ghi cho phép ngắt IE ở địa chỉ A8H Mức ưu tiên ngất được thiết lập qua thanh ghi ngắt IP ở địa chỉ B8H Cả 2 thanh ghi này đều đã được định địa chỉ từng bit

2.2.5 Thanh ghi điều khiển nguồn.

Thanh ghi điều khiển nguồn PCON có địa chỉ 87H chứa các bit điều khiển

Bit SMOD tăng gấp đôi tốc độ của port nối tiếp khi port này hoạt động ở các chế

độ 1, 2, 3 Các bit 4, 5, 6 của PCON không được định nghĩa Các bit 2, 3 là các bit

cờ đa mục đích dành cho các ứng dụng của người sử dụng

Các bit điều khiển nguồn, nguồn giảm PD và nghỉ IDL, hợp lệ trong tất cả chip thuộc họ MCS-51, nhưng chỉ dược hiện thực trong các phiên bản CMOS của MCS-51 PCON không được định địa chỉ bit

2.2.6 Lệnh RESET.

8051 được reset bằng cách giữ chân RST ở mức cao tối thiểu 2 chu kỳ máy và sau

đó chuyển về mức thấp RST có thể được tác động bằng tay hoặc được tác động khi cấp nguồn bằng cách dùng một mạch RC như được trình bày ở hình

Quan trọng nhất trong các thanh ghi này có lẽ là thanh ghi PC, được nạp 0000H Khi RST trở lại mức thấp, việc thực thi chương trình luôn luôn bắt đầu ở vị trí đầu tiên trong bộ nhớ chương trình: địa chỉ 0000H Nội dung của Ram trên chip không

bị ảnh hưởng bởi hoạt động reset