Đồ án : Thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển động cơ bước dùng vi điều khiển 8051

Thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển động cơ bướcNgày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ điều khiển trong các thiết bị điện tử, ứng dụng của vi xử lý và vi điều khiển ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội. Có mặt hầu hết trong các thiết bị từ đơn giản đến phức tạp, từ thiết bị điều khiển tự động, trong sản xuất công nghiệp, thiết bị văn phòng phổ thông cho đến các thiết bị trong gia đình đều có sử dụng các bộ vi điều khiển. Vào năm 1981 hãng Intel giới thiệu bộ vi điều khiển được gọi là 8051. 8051 đã trở lên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán các dạng biến thể của 8051. Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chip khác nhau.Trong bài dưới đây, em xin trình bày về vi điều khiển 8051. Nội dung chính bao gồm : PHẦN I : GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN 8051PHẦN II : THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN CHO VI ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM ALTIUMPHẦN III : GHÉP NỐI HIỂN THỊ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRÊN LCDPHẦN IV : LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BƯỚCPHẦN V : MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MẠCH LỰC ...................

PHẦN I : GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN 8051

I TỔNG QUAN VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN

MCS-51 là họ vi điều khiển của hãng Intel Vi mạch tổng quát của họ MCS-51 là chip 8051 8051 đã trở lên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán các dạng biến thể của 8051 Điều này dẫn đến sự

ra đời nhiều phiên bản của 8051 với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chip khác nhau Mặc dù có nhiều biến thể khác nhau của 8051 về tốc độ và dung lượng nhớ ROM trên chip, nhưng tất cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu về các lệnh Điều này có nghĩa là nếu viết chương trình của mình cho một phiên bản nào của 8051 thì nó cũng sẽ

chạy với mọi phiên bản khác mà không

phân biệt nó được sản xuất từ hãng nào

Chip 8051 có một số đặc trưng cơ bản sau :

 Bộ nhớ chương trình bên trong : 4 KB (ROM)

 Bộ nhớ dữ liệu bên trong : 128 byte (RAM)

 Bộ nhớ chương trình bên ngoài : 64 KB (ROM)

 Bộ nhớ dữ liệu bên ngoài : 64 KB (RAM)

 40 chân và 32 chân vào/ra

 6 nguồn ngắt

 4 cổng xuất nhập (I/O Port) 8 bit

 Có 2 bộ định thời 16 bit

 Mạch giao tiếp nối tiếp

 Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng lẻ)

 Có 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit

 Nhân / Chia trong 4 µs

Ngoài ra, trong họ MCS-51 còn có một số chip vi điều khiển khác có cấu trúc tương đương như :

II PHẦN CỨNG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN 8051

1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA CHIP 8051

- 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 bên ngoài (INT0, INT1), từ bộ định thời (Timer 0, Timer 1) và từ cổng nối tiếp (Serial port), lần luợt đua 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 duới

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 duới 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 qua các chân T0, T1

- Bus control : Điều khiển bus điều khiển hoạt động của hệ thống bus và việc di chuyển thông tin trên hệ thống bus

- Bus system : Hệ thống bus liên kết các khối trong chip lại với nhau

2 SƠ ĐỒ CHÂN VÀ CHỨC NĂNG CÁC CHÂN CỦA VI ĐIỀU KHIỂN

8051

Sơ đồ các chân của vi điều khiển 8051

* Chân 1 đến 8 : được gọi là Cổng 1 (Port 1), 8 chân này có duy nhất 1 chức năng là xuất và nhập Cổng 1 có thể xuất và nhập theo bit hoặc byte Ta đánh tên cho mỗi chân của Port 1 là P1.X (X = 0 đến 7)

* Chân 9 : là chân vào reset của 8051 Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao trong ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống Hay nói cách khác là vi điều khiển sẽ bị reset nếu chân này được kích hoạt mức cao

Sơ đồ mạch reset ngoài của 8051

* Chân 10 đến 17 : được gọi là Cổng 3 (Port 3), 8 chân này ngoài chức năng là xuất và nhập như các chân ở cổng 1 (chân 1 đến 8) thì mỗi chân này còn có chức năng riêng nữa, cụ thể như sau :

Bit Tên Địa chỉ bit Chức năng

P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của port nối tiếp P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của port nối tiếp

* Chân 18 và 19 (XTAL1 & XTAL2) : 2 chân này được sử dụng để nối với bộ dao động ngoài

Mạch dao động cấp cho 8051

- 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

Lưu ý : fTYP=12MHz fTYP (MHz) : tần số danh định

* Chân 20 : được nối vào chân 0V của nguồn cấp

* Chân 21 đến chân 28 : được gọi là cổng 2 (Port 2), 8 chân của cổng 2 có 2 công dụng, ngoài chức năng là cổng xuất và nhập như cổng 1 thì cổng 2 này còn

là byte cao của bus địa chỉ khi sử dụng bộ nhớ ngoài

* Chân 29 (PSEN) : Chân PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân OE của ROM ngoài để cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài PSEN ở mức thấp trong thời gian đọc mã lệnh Khi thực hiện chương trình trong ROM nội thì PSEN được duy trì ở mức cao

* Chân 30 (ALE) : Chân ALE cho phép tách các đường dữ liệu và các đường địa chỉ tại Port 0 và Port 2

* Chân 31 (EA) : Tín hiệ

nhớ trong hay ngoài vi điề

nguồn Vcc), thì vi điều khi

EA ở mức thấp (được nối GND) thì vi

nhớ ngoài

* Chân 32 đến 39 : được g

công dụng, ngoài chức năng xu

chỉ, chức năng này sẽ đượ

kiến trúc Bus như các vi m

- Bộ vi điều khiển có không gian b

ệu chân EA cho phép chọn bộ nhớ chương tr

ều khiển Nếu chân EA được nối ở mức cao (n

u khiển thi hành chương trình trong ROM n

i GND) thì vi điều khiển thi hành chương tr

c gọi là cổng 0 (Port 0) Cổng 0 gồm 8 chân c

c năng xuất nhập, cổng 0 còn là bus đa hợp d

ợc sử dụng khi 8051 giao tiếp với các bi

n trúc Bus như các vi mạch nhớ Vì cổng P0 là một máng m

P2 và P3 nên các chân ở cổng 0 phải được nối với đi

ng các chân này như chân vào/ra Điện trở này tùy thuộc vào đ

n ghép nối với chân của port 0 Thường ta dùng đi

Nối điện trở kéo cho cổng 0 của 8051

n của vi điều khiển, được nối vào chân VCC cCỦA CHIP 8051

gian bộ nhớ chung cho dữ liệu và chương tr

nằm chung trên RAM truớc khi đưa vào CPU đ

có không gian bộ nhớ riêng cho dữ liệu và chương tr

chương trình là bộ

c cao (nối ình trong ROM nội Nếu chân

chương trình và dữ liệu nằm riêng trên ROM và RAM truớc khi đưa vào CPU

để thực thi

- Tổ chức bộ nhớ của chip 8051 :

Không gian bộ nhớ trong chip 8051

3.1 Bộ nhớ chương trình (ROM) :

- Dùng để lưu trữ chương trình điều khiển cho chip 8051 hoạt động

- Chip 8051 có 4 KB ROM trong, địa chỉ truy xuất : 000H – FFFH

3.2 Bộ nhớ dữ liệu (RAM) :

- Dùng để lưu trữ các dữ liệu và tham số

- Chip 8051 có 128 byte RAM trong, địa chỉ truy xuất : 00H – 7FH

- RAM trong của chip 8051 được chia ra :

 RAM đa chức năng :

 RAM định địa chỉ bit :

Cho phép xử lý từng bit dữ liệu riêng lẻ mà không ảnh hưởng đến các bit khác trong cả byte

 Các dãy thanh ghi :

Cho phép truy xuất dữ liệu nhanh, lệnh truy xuất đơn giản và ngắn gọn

3.3 Thanh ghi chức năng đặc biệt :

3.3.1 Thanh ghi A :

3.3.2 Thanh ghi B :

3.3.3 Thanh ghi từ PSW :

- Cờ CY (Carry Flag) : cờ nhớ  báo có nhớ/muợn tại bit 7

 CY = 0 : nếu không có nhớ từ bit 7 hoặc không có muợn cho bit 7

 CY = 1 : nếu có nhớ từ bit 7 hoặc có muợn cho bit 7

- Cờ AC (Auxiliary Carry) : cờ nhớ phụ  báo có nhớ/muợn tại bit 3

 AC = 0 : nếu không có nhớ từ bit 3 hoặc không có muợn cho bit 3

 AC = 1 : nếu có nhớ từ bit 3 hoặc có muợn cho bit 3

- Cờ F0 (Flag 0) : cờ zero  có nhiều mục đích dành cho các ứng dụng khác nhau của nguời lập trình (dự trữ cho các phiên bản chip trong tương lai)

- Bit RS0, RS1 (Register Select) : bit chọn dãy thanh ghi  cho phép xác định dãy thanh ghi tích cực (hay dãy thanh ghi mà các thanh ghi có tên là R0-R7)

- Cờ OV (Overflow) : cờ tràn  báo kết quả tính toán của phép toán số học (phép toán có dấu) có nằm trong khoảng từ -128 đến +127 hay không

- Cờ P (Parity) : cờ chẵn lẻ  báo số chữ số 1 trong thanh ghi A là số chẵn hay

số lẻ (trong chip 8051 sử dụng chế độ parity chẵn)

 P = 0 : nếu số chữ số 1 trong thanh ghi A là số chẵn (parity chẵn)

 P = 1 : nếu số chữ số 1 trong thanh ghi A là số lẻ (parity chẵn)

3.3.4 Thanh ghi SP :

- Ngăn xếp là vùng nhớ dùng để lưu trữ tạm thời các dữ liệu

- Đối với chip 8051 thì vùng nhớ đuợc dùng để làm ngăn xếp được giữ trong RAM nội

- Để sử dụng ngăn xếp thì ta phải khởi động thanh ghi SP (nghĩa là nạp giá trị cho thanh ghi SP)  vùng nhớ của ngăn xếp có địa chỉ bắt đầu : (SP)+1 và địa chỉ kết thúc : 7FH

- Nếu không khởi động SPvùng nhớ của ngăn xếp có địa chỉ bắt đầu : 08H và địa chỉ kết thúc : 7FH (chế độ mặc định)

3.3.5 Thanh ghi DPTR :

3.3.6 Thanh ghi port xuất nhập :

3.3.7 Thanh ghi port nối tiếp :

3.3.8 Thanh ghi định thời :

3.3.9 Thanh ghi ngắt :

3.3.10 Thanh ghi điều khiển nguồn :

- Bit SMOD (Serial Mode)  cho phép tăng gấp đôi tốc độ truyền dữ liệu nối tiếp (tốc độ baud) khi SMOD = 1

- Bit GF1, GF0 (General Function)  cho phép nguời lập trình dùng với mục đích riêng (dự trữ cho các phiên bản chip trong tương lai)

- Bit PD (Power Down) dùng để qui định chế độ nguồn giãm

- Bit IDL (Idle)  dùng để qui định chế độ nghi

3.4 Bộ nhớ ngoài

- Chip 8051 cho ta khả năng mở rộng :

 Không gian bộ nhớ chương trình lên đến 64 KB

 Không gian bộ nhớ dữ liệu lên đến 64 KB

- Khi sử dụng bộ nhớ ngoài :

 Port 0  bus địa chỉ byte thấp và bus dữ liệu đa hợp (AD0-AD7)

 Port 2  bus địa chỉ byte cao (A8-A15)

 Port 3 các tín hiệu điều khiển (WR, RD)

- Sự khác nhau giữa đa hợp và không đa hợp bus địa chỉ và bus dữ liệu :

Nhằm làm giảm số lượng chân đưa ra ngoài chip  giảm kích thước của chip

3.4.1 Kết nối và truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài :

Giản đồ thời gian chu kỳ nạp lệnh bộ nhớ ngoài

3.4.2 Kết nối và truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài :

Truy xuất bộ nhớ dữ liệu bên trong

3.4.3 Các không gian nhớ chương trình và dữ liệu gối nhau :

RAM 1 : đóng vai trò là bộ nhớ dữ liệu

RAM 2 : đóng vai trò là bộ nhớ chương trình + bộ nhớ dữu liệu

Chân RST = 0  Chip 8051 hoạt động bình thuờng

Chân RST = 1  Chip 8051 đuợc reset.

 Để hoàn tất quá trình reset thì chân RST phải ở mức cao tối thiểu là 2 chu kỳ máy và sau đó chuyển xuống mức thấp

 Nội dung của RAM trong chip không bị ảnh huởng bởi hoạt động reset

 Sau khi reset, việc thực thi chương trình luôn luôn bắt đầu ở vi trí đầu tiên trong bộ nhớ chương trình : Địa chỉ 0000H

III ỨNG DỤNG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN 8051

Kết nối VĐK 8051 với một số ngoại vi đơn giản :

+ VĐK giao tiếp led đơn và phím nhấn

+ Kết nối VĐK với Rơle

+ Kết nối VĐK với LCD

+ Kết nối VĐK với ma trận led

+ Điều khiển động cơ DC

+ Điều khiển động cơ bước

Vi điều khiển là một IC lập trình, vì vậy Vi điều khiển cần được lập trình trước khi sử dụng Mỗi phần cứng nhất định phải có chương trình phù hợp kèm theo, do đó trước khi viết chương trình đòi hỏi người viết phải nắm bắt được cấu tạo phần cứng và các yêu cầu mà mạch điện cần thực hiện

Chương trình là tập hợp các lệnh được tổ chức theo một trình tự hợp lí để giải quyết các yêu cầu của người lập trình.Tập hợp tất cả các lệnh gọi là tập lệnh Họ

Vi điều khiển MSC-51 đều có chung một tập lệnh, các Vi điều khiển được cải tiến sau này thường ít thay đổi hoặc mở rộng tập lệnh mà chú trọng phát triển phần cứng

Lệnh của Vi điều khiển là các số nhị phân 8 bit hay còn gọi là mã máy Các lệnh mang mã 00000000b đến 11111111b Các mã lệnh này được đưa vào lưu trữ trong ROM, khi thực hiện chương trình Vi điều khiển đọc các mã lệnh này, giải mã, và thực hiện lệnh

Vì các lệnh của Vi điều khiển có dạng số nhị phân quá dài và khó nhớ, hơn nữa việc gỡ lỗi khi chương trình phát sinh lỗi rất phức tạp và khó khăn Khó khăn này được giải quyết với sự hỗ trợ của máy vi tính, người viết chương trình

có thể viết chương trình cho vi điều khiển bằng các ngôn ngữ lập trình cấp cao, sau khi việc viết chương trình được hoàn tất, các trình biên dịch sẽ chuyển các câu lệnh cấp cao thành mã máy một cách tự động Các mã máy này sau đó được đưa (nạp) vào bộ nhớ ROM của Vi điều khiển, Vi điều khiển sẽ tìm đến đọc các lệnh từ ROM để thực hiện chương trình Bản thân máy tính không thể thực hiện các mã máy này vì chúng không phù hợp với phần cứng máy tính, muốn thực hiện phải có các chương trình mô phỏng dành riêng

Chương trình cho Vi điều khiển có thể viết bằng C++, C, Visual Basic, hoặc băng các ngôn ngữ cấp cao khác Tuy nhiên hợp ngữ Assembler được đa số người dùng Vi điều khiển sử dụng để lập trình, vì lí do này chúng tôi chọn

Assembly để hướng dẫn viết chương trình cho Vi điều khiển Assembly là một ngôn ngữ cấp thấp, trong đó mỗi câu lệnh chương trình tương ứng với một chỉ lệnh mà bộ xử lý có thể thực hiện được Ưu điểm của hợp ngữ Assembly là : mã gọn, ít chiếm dung lượng bộ nhớ, hoạt động với tốc độ nhanh, và nó có hiệu suất tốt hơn so với các chương trình viết bằng ngôn ngữ bậc cao khác

Tổng quan về ngôn ngữ lập trình ASSEMBLY :

 Một số lệnh thường gặp khi lập trình cho vi điều khiển :

1 Lệnh MOV :

Cấu trúc : MOV đích, nguồn

Chức năng : chuyển dữ liệu từ nguồn vào đích va thoát khỏi câu lệnh Lưu ý : đích la các thanh ghi, nguồn có thể là thanh ghi cũng có thể là giá trị trực tiếp hoặc gián tiếp Nếu nguồn là dữ liệu trực tiếp thì phải ghi theo cấu trúc :

MOV đích, #dữ liệu trực tiếp

Nếu là số hexa thì phải viết #0(dữ liệu dạng hexa) Vd #FFH

Nếu là số nhị phân phải viết #(dữ liệu dạng bit)B Vd #11110000B

Nếu là số thập phân phải viết #(dữ liệu dạng thập phân) Vd #255

Cấu trúc : CJNE đích, nguồn, nhãn

Chức năng : so sánh dữ liệu của nguồn với đích Nếu không bằng nhau thì nhảy đến vị trí của nhãn Nếu bằng thì thoát khỏi câu lệnh

5 Lệnh DJNZ :

Cấu trúc : DJNZ thanh ghi, nhãn

Chức năng : so sánh giá trị thanh ghi với 0 Nếu không bằng thì giảm giá trị thanh ghi đi 1 và nhảy tới vị trí của nhãn.Nếu bằng 0 thì thoát khỏi câu lệnh

Lưu ý : khi lập trình ta nên để cho thanh ghi có giá trị dương

6 Lệnh SETB :

Cấu trúc : SETB bit

Chức năng : thiết lập mức trạng thái cao cho bit và thoát khỏi câu lệnh Lưu ý : khi bit đang ở mức 0 thì đưa lên mức 1, còn đang ở mức 1 thì giữ nguyên

7 Lệnh CLR :

Cấu trúc : CLR bit

Chức năng : thiết lập mức trạng thái 0 cho bit và thoát khỏi câu lệnh Lưu ý : khi bit đang ở mức 1 thì đưa xuống mức 0, còn đang ở mức 0 thì giữ nguyên Có thể thay bit bằng thanh ghi nà khi đó tất cả các bit của thanh ghi đều được đưa xuống mức 0

8 Lệnh INC :

Cấu trúc : INC thanh ghi

Chức năng : tăng giá trị thanh ghi lên 1 và thoát khỏi câu lệnh

9 Lệnh LJMP :

Cấu trúc : LJMP nhãn

Chức năng : nhảy tới vị trí của nhãn

Lưu ý : có thể nhảy trong toàn chương trình

10 Lệnh SJMP :

Cấu trúc : SJMP nhãn

Chức năng : nhảy tới vị trí của nhãn

Lưu ý : có thể nhảy trong phạm vi 128byte và 127byte sau câu lệnh

Chức năng : gọi một chương trình con bắt đầu từ vị trí của nhãn

Lưu ý : có thể gọi trong toàn chương trình

Từ các câu lệnh trên ta áp dụng để lập trình cho VĐK 8051

PHẦN II : THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN CHO VI ĐIỀU KHIỂN

BẰNG PHẦN MỀM ALTIUM DESIGNER

I THIẾT KẾ CHI TIẾT KHỐI NGUỒN

Sơ đồ nguyên lý của mạch nguồn

Linh kiện sử dụng thiết kế khối nguồn :

Nguồn đầu vào là điện lưới 220VAC, đi qua biến áp hạ xuống 12VAC, qua cầu

chỉnh lưu ra điện áp 1 chiều : 12 VDC

Từ đây đưa vào IC ổn áp LM7805 cho ra đầu ra 5VDC ổn định (thực tế khoảng

điện áp ra dao động từ 4.8V – 5.4 V)

IC LM7805 có 3 chân cho ta kết nối với nó : Chân 1 là chân nguồn đầu vào,

chân 2 là chân GND , chân 3 là chân lấy điện áp ra

- Chân 1 - 2 (Chân điện áp đầu vào IN/GND) : Đây là chân cấp nguồn đầu vào

cho LM7805 hoạt động Giải điện áp cho phép đầu vào lớn nhất là 40V

- Chân 3 ( Chân điện áp đầu ra OUT) : Chân này cho chúng ta lấy điện áp đầu

ra ổn định 5V Đảm bảo đầu ra ổn định luôn nằm trong giải từ (4.75V đến

5.25V)

- Đảm bảo tản nhiệt tốt cho LM7805 khi chạy với tải Khi công suất tăng lên

thì do LM7805 là linh kiện bán dẫn công suất nên rất nóng khi tải lớn Để tránh

hỏng linh kiện và cho linh kiện hoạt động trong nhiệt độ bình thường thì cần

phải tản nhiệt tốt

- Tụ C1, C2 là lọc nguồn đầu vào cho LM7805 Tụ này là tụ hóa phải có điện

dung đủ lớn để lọc phẳng điện áp đầu vào và điện áp tụ chịu đựng phải lớn hơn

điện áp đầu vào nên ở đây sử dụng tụ 470µF/25V

- Tụ C3, C4 là lọc nguồn đầu ra cho 7805 Tụ C3 cũng là tụ hóa, tụ C4 là tụ

gốm, 2 tụ này có điện dung nhỏ dùng để lọc nguồn đầu ra cho băng phẳng

Trong thành phần một chiều còn có các sóng điều hòa bậc 2, 3 sóng nhấp nhô

có tần số cao, nhiễu bên ngoài Các sóng này ảnh hưởng đến hoạt động của