Thiết kế mạch quảng cáo cho công ty máy tính th – nghệ an kết nối với máy tính

Cũng có thể nhìn nhận rằng, các trung tâm vi xử lý họ này là một máy vi tính thực thụ, nếu nhìn nhận chip này theo quan điểm kiến trúc máy tính của Von Neumann: chip được trang bị thêm b

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin gửi lời chân thành cảm ơn đến quý thầy giáo, cô giáo trong

Trường Đại học Công Nghệ Thông Tin Và Truyền Thông - Đại Học Thái Nguyên

đã tạo điều kiện cho em một môi trường học tập tốt, dạy dỗ chỉ bảo tận tình, cung cấp kiến thức cần thiết làm cơ sở nền tảng cho em hoàn thành bản báo cáo đồ án tốt nghiệp lần này.

Em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thị Dung đã hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt

tình, luôn ân cần chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt thời gian qua.

Những kiến thức học được cộng thêm sự hiểu biết từ các tài liệu tham khảo, tuy

có thể hoàn thành cuốn báo cáo này nhưng không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót nên

em rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý và giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo và các bạn để cuốn đồ án này hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đình Hoàng Thạch

LỜI CAM ĐOAN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian quy định và đáp ứng được yêu cầu

đề ra, em đã cố gắng tìm hiểu, học hỏi, tích lũy kiến thức đã học Em có tham khảo

một số tài liệu đã nêu trong phần “Tài liệu tham khảo” nhưng không sao chép nội

dung từ bất kỳ đồ án nào khác Toàn bộ đồ án do bản thân nghiên cứu, xây dựng dưới

sự hướng dẫn của cô giáo Nguyễn Thị Dung.

Em xin cam đoan những lời khai trên là đúng, mọi thông tin sai lệch em xin hoàntoàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng

Sinh viên

Nguyễn Đình Hoàng Thạch

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 9

LỜI NÓI ĐẦU 10

Chương 1 KHẢO SÁT VỀ CÔNG TY MÁY TÍNH T&H 11

1.1 Quá trình hình thành và phát triển của công ty máy tính T&H Nghệ An: 11 1.2 Ý tưởng đồ án: 13

1.3 Sơ đồ khối và chức năng các khối: 14

1.3.1 Phân tích mạch điện: 14

1.3.2 Sơ đồ khối: 15

1.3.3 Chức năng từng khối: 15

Chương 2 TÌM HIỂU VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 VÀ CÁC LINH KIỆN KHÁC CÓ TRONG MẠCH 17

2.1 Tóm tắt về họ vi điều khiển 8051: 17

2.2 Kiến trúc vi điều khiển 8051: 17

2.3 Cấu trúc bên trong của vi điều khiển 8051: 23

2.3.1 Tổ chức bộ nhớ: 23

2.3.2 Các thanh ghi đặc biệt: 28

2.3.3 Truy suất địa chỉ: 31

2.4 Hoạt động TIMER của 8051: 35

2.4.1 Giới thiệu: 35

2.4.2 Thanh ghi điều khiển Timer TCON: 36

2.4.3 Thanh ghi mode timer (TMOD): 37

2.4.4 Các mode và cờ tràn: 38

2.4.5 Các nguồn xung clock (CLOCK SOURCES): 40

2.4.6 Sự bắt đầu, dừng và điều khiển các timer: 40

2.4.7 Sự khởi động và truy xuất các thanh ghi timer: 41

2.5 Ghép nối họ vi điều khiển 8051 với máy tính: 42

Chương 3 THIẾT KẾ MẠCH, ỨNG DỤNG LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG MẠCH 44

3.1 Lựa chọn linh kiện: 44

3.1.1 Vi điều khiển AT89C51: 44

3.1.2 IC 74LS595: 45

3.1.3 LED Matrix 8x8: 47

3.1.4 IC ULN2803: 49

3.2 Thiết kế chi tiết các khối: 51

3.3 Thiết kế chương trình cho Vi Điều Khiển: 52

3.3.1 Nguyên lý hoạt động: 52

3.3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý: 53

3.3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển: 54

3.3.4 Lập trình C hiển thị chữ trên LED: 55

3.4 Kết quả mô phỏng: 61

3.4.1 Mạch thiết kế trên proteus: 61

3.4.2 Sơ đồ mạch in: 62

3.5 Nguyên lý hoạt động của toàn mạch: 62

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hình ảnh về công ty và vị trí gắn mạch quảng cáo Led 11

Hình 1.2: Một sản phẩm sử dụng ma trận Led kiểu chữ chạy 14

Hình 1.3: Sơ đồ khối 15

Hình 2.1: Sơ đồ khối MCS-51 18

Hình 2.2: Sơ đồ chân chip 8051 19

Hình 2.3: Kết nối xung thạch anh và cấu trúc port vào ra 22

Hình 2.4: Bảng thể hiện tên chip và loại bộ nhớ nó mang 23

Hình 2.5: Cấu trúc vi điều khiển 89C51 24

Hình 2.6: Bảng về bộ nhớ của một số loại chip thuộc họ 8051 24

Hình 2.7: Cấu trúc bộ nhớ chương trình 25

Hình 2.8: Địa chỉ các ngắt trên bộ nhớ chương trình 25

Hình 2.9: Cấu trúc bộ nhớ dữ liệu 26

Hình 2.10: Cấu trúc bộ nhớ trong 27

Hình 2.11: Cấu trúc 128 byte thấp của bộ nhớ dữ liệu trong 27

Hình 2.12: 128 byte cao của bộ nhớ dữ liệu. 28

Hình 2.13: Các thanh ghi đặc biệt 29

Hình 2.14: Truy xuất địa chỉ thanh ghi 31

Hình 2.15: Truy xuất địa chỉ kiểu trực tiếp 32

Hình 2.16: Truy xuất địa chỉ kiểu gián tiếp 32

Hình 2.17: Truy xuất địa chỉ kiểu tức thời 33

Hình 2.18: Truy xuất địa chỉ kiểu tương đối 33

Hình 2.19: Truy xuất địa chỉ kiểu tuyệt đối 34

Hình 2.20: Truy xuất địa chỉ kiểu dài 34

Hình 2.21: Truy xuất địa chỉ kiểu số 34

Hình 2.22: Biểu đồ thời gian 35

Hình 2.23: Bảng truy xuất Timer của 8051 dùng 6 thanh ghi đặc biệt 36

Hình 2.24: Bảng hoạt động của các bit trong thanh ghi TCON 37

Hình 2.25: Bảng hoạt động các bit trong thanh ghi TMOD 37

Hình 2.26: Mode Timer 13 bit 38

Hình 2.27: Mode Timer 16 bit 38

Hình 2.28: Mode tự động nạp 8 bit 39

Hình 2.29: Sơ đồ Mode 3 39

Hình 2.30: Nguồn cấp xung nhịp 40

Hình 2.31: Thời gian hoạt động của mode 1 41

Hình 2.32: Bảng khung truyền dữ liệu 42

Hình 2.33: Cổng nối tiếp của máy tính 43

Hình 2.34: Bảng chức năng của các chân của cổng nối tiếp 43

Hình 3.1: IC 74LS595 45

Hình 3.2: Sơ đồ chân 74LS595 46

Hình 3.3: Cấu tạo ma trận Led 8x8 47

Hình 3.4: LED Matrix 8x8 49

Hình 3.5: IC ULN2803 49

Hình 3.6: Biểu đồ kiểm tra ULN2803 51

Hình 3.7: Sơ đồ mạch nguyên lý 53

Hình 3.8: Lưu đồ thuật toán 54

Hình 3.9: Mạch thiết kế trên proteus 61

Hình 3.10: Mạch chạy mô phỏng 61

Hình 3.11: Sơ đồ mạch in lớp phía trên 62

Hình 3.12: Sơ đồ mạch in lớp phía dưới 62

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

- MCS: Micro control system

- ROM: Read only memory

- RAM: Random access memory

- EPROM: Erasable programmable read only memory

- CMOS: Complementary metal oxide semiconductor

- PSEN: Program store enable

- ALE: Address latch enable

- RST: Reset

- SRAM: Static random access memory

- EEPROM: Electrically erasable programmable read only memory

- SFR: Special function register

- MSB: Most significant bit

- LSB: Least significant bit

- PEROM: Flash programmable and erasable read only memory

- LED: Light emitting diode

- IC: Integrated circuit

- TTL: Transistor-Transistor logic

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, những ứng dụng của vi điều khiển đã đi sâu vào đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người Thực tế hiện nay hầu hết các thiết bị điện dân dụng đều có sự góp mặt của vi điều khiển và vi xử lí Ứng dụng vi điều khiển trong thiết kế hệ thống làm giảm chi phí thiết kế và hạ giá thành sản phẩm đồng thời nâng cao tính ổn định của thiết bị và hệ thống Trên thị trường có rất nhiều hệ vi điểu khiển: họ 8051 của Intel, 68HC11 của Motorola, Z80 của hãng Zilog, PIC của hãng Microchip, H8 của Hitachi,vv

Việc phát triển ứng dụng các hệ vi xử lí đòi hỏi nhưng hiểu biết cả về phần cứng cũng như phần mềm, nhưng chính vì vậy mà các hệ vi xử lý được sử dụng để giải quyết những bài toàn rất khác nhau Tính đa dạng của các ứng dụng phụ thuộc vào việc lựa chọn các hệ vi xử lý cụ thể.

Ngày nay các bộ vi xử lý có mặt trong rất nhiều thiết bị điện tử hiện đại: từ đầu đĩa CD, máy thu hình, dàn âm thanh cho đến các thiết bị điều khiển dùng trong công nghiệp Lĩnh vực ứng dụng của các hệ vi xử lí cũng rất rộng lớn: từ nghiên cứu khoa học, truyền dữ liệu, đến công nghiệp, năng lượng, giao thông và y tế, quảng cáo… Xuất phát từ mục đích đó em tìm hiểu và nghiên cứu về vi điều khiển 8051(MCS-

51) Ứng dụng vào thiết kế bảng quảng cáo cho Công ty máy tính T – H kết nối với

máy tính hiển thị thông tin trên LED Matrix Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng protues.

Chương 1 KHẢO SÁT VỀ CÔNG TY MÁY TÍNH T&H

1.1 Quá trình hình thành và phát triển của công ty máy tính T&H Nghệ An:

CÔNG TY MÁY TÍNH T&H

Công ty máy tính T&H (T&H Computer) được thành lập ngày 20/05/2011 vớitiền thân là Trung tâm Điện tử - Tin học T&H tại khối Hợp Nhất thị trấn Quỳ Hợp –Nghệ An với ngành nghề kinh doanh chính: cung cấp thiết bị công nghệ thông tin,thiết bị văn phòng, các giải pháp công nghệ thông tin và lắp ráp máy tính

Từ lúc thành lập với tổng số nhân viên là 03 người làm việc trong một cửa hàng

có diện tích khoảng 30m2, sau gần 1 năm hoạt động hiện nay chúng tôi đã có tổng sốcán bộ lên đến 7 người với địa điểm kinh doanh có diện tích gần 70m2 Không nhữngthế, công ty chúng tôi còn luôn duy trì được tốc độ phát triển toàn diện về mọi mặt mộtcách rất bền vững và đáng kinh ngạc so với các công ty kinh doanh cùng lĩnh vực.Gắn liền với sự hoạt động và phát triển của T&H Computer là những sự kiện vàchính sách kinh doanh mang tính đột phá, tiên phong trong lĩnh vực kinh doanh thiết

bị máy vi tính như: chính sách kinh doanh "bán giá bán buôn đến tận tay người tiêudùng", chính sách bảo hành "1 đổi 1 trong vòng 6 tháng" và "bảo hành cả trong trườnghợp IC bị cháy, nổ"

Hiện nay T&H Computer là 1 trong những công ty còn non trẻ trong lĩnh vựccông nghệ thông tin ở tỉnh nhà Chúng tôi luôn duy trì được tốc độ tăng trưởng ở mứcrất cao và vững chắc trên mọi mặt T&H Computer luôn chiếm được sự tin tưởng củacác khách hàng bởi các chính sách, cam kết, dịch vụ mà rất nhiều công ty máy tínhkhác không làm được

T&H Computer có một đội ngũ nhân viên nhiệt tình và có trình độ chuyên môncao (đa số đã tốt nghiệp Đại học, Cao đẳng chuyên ngành kinh tế, kỹ thuật), đủ khảnăng để có thể đáp ứng mọi yêu cầu dù là khắt khe nhất của quý khách hàng

Không những thế, đội ngũ nhân viên của T&H còn là những người đầy lòng nhiệttình và có thái độ rất niềm nở trong cung cách phục vụ khách hàng Tất cả các cán bộnhân viên hiện đang công tác tại T&H đều thấu hiểu được một điều đó là:

“Khách hàng mới là người quyết định tương lai, sự tồn tại và phát triển của T&H”

Vì vậy toàn thể nhân viên công ty T&H Computer đều luôn tâm niệm và làm việctheo suy nghĩ:

Và dòng chữ chạy từ phải qua trái.

Hiện nay trên thị trường đang thông dụng 1 số các loại biển quảng cáo điện tử,biển hiệu Led ma trận và Led vẫy, màn hình full color, biển chữ nổi, biển mica…

Để phù hợp với một công ty máy tính cần thay đổi được thông tin quảng cáo củamình liên tục theo thời gian để phù hợp với từng thời gian, từng hoàn cảnh thì emquyết định chọn biển hiệu Led ma trận cho công ty T&H Computer Đây là loại biển

sử dụng các modul đèn Led hình chữ nhật ghép lại với nhau để tạo thành màn hìnhhiển thị thông tin và được điều khiển bằng một bộ điều khiển để tạo các hiệu ứng trựcquan khác nhau hết sức sinh động Nội dung hiển thị trên biển dễ dàng được thay đổibằng cách nạp lại chương trình điều khiển qua dây dẫn nối với máy tính

Sản phẩm được kết nối với máy tính thông qua cổng USB bằng phần mềmUSB_Driver cho Led ma trận “CP210x_VCP_Win_XP_S2K3_Vista_7” và phần mềmđiều khiển hiện thị trên ma trận Led Phần mềm được thiết kế để có thể dễ dàng thayđổi đuợc nội dung hiển thị trên bảng quảng cáo, cũng như về màu sắc của các đèn Led

và tốc độ chạy chữ trên sản phẩm

* Ưu điểm của sản phẩm:

- Bảng Led ma trận hiển thị đầy đủ các nội dung đăng tải, màu sắc sặc sỡ, bắt mắt

và gây chú ý

- Bảng Led ma trận dễ dàng thay đổi nội dung và hiệu ứng nên cập nhật đa dạngcác thông tin doanh nghiệp muốn truyền tải đến khách hàng: thay đổi khẩu hiệu, cácthông tin, màu sắc led, tốc độ chữ chạy

- Bảng Led ma trận không chỉ hiện thị các thông tin dưới dạng Text mà còn hiệnthị về thời gian, nhiệt độ, các hình minh họa theo ý muốn

Hình 1.2: Một sản phẩm sử dụng ma trận Led kiểu chữ chạy

1.3 Sơ đồ khối và chức năng các khối:

1.3.1 Phân tích mạch điện:

Mạch điện hoạt động dưới sự điều khiển của vi điều khiển, trong mạch điện nàythì vi điều khiển lấy tín hiệu từ bộ dao động thạch anh với xung nhip 12MHz Thạchanh này tạo ra các dao động xung nhịp chính xác để duy trì những khoảng thời gianxác định cho vi điều khiển hoạt động Sự thay đổi xung nhịp thạch anh này dẫn tới sựthay đổi của 1 chu kỳ thực hiện lệnh hay còn gọi là chu kỳ máy Với xung nhịp thạchanh càng cao thì chu kỳ máy càng ngắn, tức là thời gian xử lý lệnh của vi điều khiểncàng nhanh, dẫn tới tốc độ làm việc và đáp ứng của vi điều khiển tăng, nhưng với mỗi

vi điều khiển có 1 mức giới hạn và thường nối với 1 xung nhịp thạch anh mặc định củanhà sản xuất

Tín hiệu ra của vi điều khiển là các mức điện áp (được hiểu dưới dạng 0 và 1), tínhiệu này được vi điều khiển điều khiển ở các chân khác nhau trên vi điều khiển là khácnhau Các tín hiệu này được đưa tới các bộ giải mã (ở đây là IC 74LS595), các bộ giải

mã này có nhiệm vụ xử lý thông tin và cho ra tín hiệu để điều khiển các đèn Led sángtheo 1 trình tự mong muốn

1.3.2 Sơ đồ khối:

Hình 1.3: Sơ đồ khối

1.3.3 Chức năng từng khối:

* Khối vi điều khiển:

Khối điều khiển trung tâm là vi điều khiển AT89C51 thuộc họ 8051 rất thôngdụng và dễ tìm kiếm trên thị trường để thi công lắp đặt cũng như thay thế mỗi khi có

hư hỏng Chương trình sẽ được lập trình sẵn và được nạp vào VĐK AT89C51 thôngqua các bộ nạp sẽ điều khiển các khối xuất dữ liệu hàng và giải mã các cột thông quacác Port (cổng) của vi điều khiển

* Khối xuất dữ liệu hàng (quét hàng):

Khối này làm nhiệm vụ xuất dữ liệu chứa trong vi điều khiển ra hàng của bảngđèn LED ma trận để điều khiển các bóng đèn của LED ma trận hiển thị dòng thôngbáo mà người dùng mong muốn Dữ liệu xuất ra ở hàng phải đồng bộ với hoạt độngcủa khối quét cột

* Khối giải mã cột (quét cột):

Theo nguyên lý hoạt động của mạch, tại mỗi thời điểm chỉ cho phép các đèn ởmột cột được sáng Như vậy cần tạo ra một khối quét cột làm nhiệm vụ lựa chọn cột

Khối VĐK

AT89C51(8051)

Khối điều khiển quét cột

Khối hiển thị LED Matrix 8*8

Khố i điều khiển quét hàng

được phép sáng tại mỗi thời điểm Khối này sẽ nhận điều khiển trực tiếp từ vi điềukhiển thông qua một Port xuất khác.

* Bảng đèn LED ma trận:

Đây là khối hiện thị thông tin mà người dùng mong muốn Bảng đèn Led nàyđược làm từ các Led được đấu nối với nhau thành ma trận Led và thường theo hìnhvuông hoặc chữ nhật Bảng đèn Led sẽ nhận đồng thời tín hiệu điều khiển từ khối xử

lý hàng (xuất dữ liệu hàng và bộ đệm hàng) và khối xử lý cột (khối quét cột và bộ đệmcột) Để từ đó sẽ cho phép đèn nào sáng, đèn nào tắt, nhằm hiện thị ra những thông tinmong muốn

Chương 2 TÌM HIỂU VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 VÀ CÁC

LINH KIỆN KHÁC CÓ TRONG MẠCH

2.1 Tóm tắt về họ vi điều khiển 8051:

Chúng ta đã biết Intel sản xuất các trung tâm vi xử lí họ x86 Tuy nhiên ngoài cáctrung tâm vi xử lý đó, Intel còn thiết kế và sản xuất các trung tâm vi xử lý chuyên dụngphục vụ các mục đích đo lường và điều khiển tự động, phục vụ các ứng dụng đơn giản

nhưng rất phổ biến khác, đặc biệt là trong các Hệ thống nhúng (Embedded Systems) Các chip vi xử lý loại này đã vượt ra ngoài khuôn khổ của một trung tâm vi xử lý đơn

thuần, trở thành một máy vi tính (MicroComputer) Cũng có thể nhìn nhận rằng, các

trung tâm vi xử lý họ này là một máy vi tính thực thụ, nếu nhìn nhận chip này theo

quan điểm kiến trúc máy tính của Von Neumann: chip được trang bị thêm bộ nhớchương trình (ROM hoặc EPROM) và bộ nhớ dữ liệu, cũng như các cổng vào/ra nốitiếp, vào/ra song song, v.v…

MCS - 51 là họ vi điều khiển của Intel Các nhà sản xuất khác như Siemens,AMD-Advanced Micro Device, Fujitsu và Philips được cấp phép làm các nhà cungcấp các chip của họ MCS - 51

Vi mạch chủ yếu của họ MCS - 51 là chip µC8051, linh kiện đầu tiên của họ nàyđược đưa ra thị trường

2.2 Kiến trúc vi điều khiển 8051:

Chip μC8051 có các đặc trưng được tóm tắt như sau: C8051 có các đặc trưng được tóm tắt như sau:

 4 KB ROM và 128 byte RAM

 4 port 8- bít, 32 lối vào/ra

 2 bộ định thời (Timmer) 16 bít

 Mạch giao tiếp nối tiếp

 Không gian nhớ chương trình ngoài (mở rộng) 64K

 Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64K

 Bộ xử lý bít (thao tác trên các bít riêng rẽ)

 210 vị trí bit nhớ được định địa chỉ

 Thực hiện phép toán Nhân, Chia trong thời gian 4s

Các thành viên khác của họ MCS-51 có các tổ hợp ROM (EPROM), RAM trênchip với dung lượng khác nhau, bộ biến đổi tín hiệu tương tự-số và số-tương tự, và cóthể có thêm bộ định thời thứ ba Mỗi một chíp của họ MCS-51 đều có phiên bảnCMOS tiêu thụ công suất thấp

Hình 2.1: Sơ đồ khối MCS-51

Hình 2.2: Sơ đồ chân chip 8051

* Mô tả cấu trúc chức năng:

Hình trên cho ta sơ đồ chân của chip 8051 Chức năng tóm tắt của từng chân nhưsau: 32 trong số 40 chân của 8051 có công dụng vào/ra, tuy nhiên 24 trong 32 chânnày có hai công dụng, mỗi chân có thể hoạt động vào/ra hoặc hoạt động như một châncủa tín hiệu điều khiển hoặc như một chân địa chỉ/dữ liệu của bus địa chỉ/dữ liệu dồnkênh

32 chân hình thành 4 port 8-bít Với các thiết kế yêu cầu tối thiểu bộ nhớ ngoài hoặc các thành phần bên ngoài khác ta có thể sử dụng port này làm nhiệm vụ vào/ra 8 chân của mỗi port có thể được sử dụng như một đơn vị giao tiếp song song với các

thiết bị ngoại vi

+ Port 1:

Port 1 chỉ có một công dụng là vào/ra (các chân từ 1 đến 8), và dùng để giao tiếp

vơi các thiết bị ngoại vi hoặc làm chân vào/ra, hoặc làm các chân nhận tín hiệuvào của mạch định thời thứ ba

+ Port 2:

Port 2 (các chân từ 21 đến 28) có hai công dụng, hoặc làm nhiệm vụ vào/ra, hoặc

8 chân địa chỉ cao của bus địa chỉ 16-bít cho các thiết kế có bộ nhớ chương trìnhngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn 256 byte bộ nhớ dữ liệu ngoài

+ Port 3:

Port 3 (các chân từ 10 đến 17) có hai công dụng Khi không sử dụng cho mục

đích vào/ra, các chân của port 3 có các chức năng riêng (mỗi chức năng riêng

liên quan đến các đặc trưng cụ thể của 8051)

+ Chân cho phép truy nhập bộ nhớ chương trình PSEN:

- 8051 cung cấp 4 tín hiệu điều khiển bus Tín hiệu PSEN (program store enable)

là tín hiệu ra trên chân 29 Đây là tín hiệu điều khiển cho phép truy xuất bộ nhớ

chương trình ngoài, chân này thường nối với chân cho phép ra OE (output

enable) của EPROM (hoặc ROM), cho phép đọc các byte lệnh.

- Tín hiệu PSEN ở logic 0 trong suốt thời gian tìm nạp lệnh (Instruction Fetch)

Các mã nhị phân của chương trình hay opcode (mã thao tác) được đọc từ

EPROM, qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR của 8051 để đượcgiải mã

- Khi thực thi một chương trình chứa ở ROM nội, PSEN được duy trì ở mứclogic không tích cực (logic 1)

+ Chân cho phép chốt địa chỉ ALE:

8051 sử dụng chân 30, chân cho phép chốt địa chỉ ALE (address latch enable) để giải dồn kênh (demultiplexing) bus dữ liệu và bus địa chỉ Khi port 0 được sử

dụng làm bus địa chỉ/dữ liệu dồn kênh, chân ALE đưa ra tín hiệu để chốt địa chỉ(byte thấp của địa chỉ 16-bít) vào một thanh ghi ngoài trong suốt 1/2 đầu của chu

kỳ bộ nhớ (memory cycle) Sau khi địa chỉ đã được chốt các chân của port 0 sẽlàm nhiệm vị vào/ra dữ liệu trong 1/2 thứ hai của chu kỳ bộ nhớ.

+ Chân truy xuất ngoài EA:

- Lối vào EA (chân 31) có thể nối với 5V (logic 1) hoặc nối với GND (logic 0).Nếu chân này nối lên 5V, 8051/8052 thực thi chương trình trong ROM nội(chương trình thường nhỏ hơn 4K/8K) Nếu chân này nối với GND (chân PSEN

ở logic 0), CPU thực thi chương trình chứa ở bộ nhớ ngoài Đối với 8031/8032chân EA phải ở logic 0 vì chúng không có bộ nhớ chương trình trên chip Nếuchân EA ở logic 0 đối với 8051/8052, ROM nội ở bên trong chip được vô hiệuhoá và chương trình thực thi chứa ở ROM bên ngoài

- Các phiên bản EPROM của 8051 còn sử dụng chân EA làm chân nhận xungđiện áp 21V cho việc lập trình EPROM nội

+ Chân RESET (RST):

Lối vào RST (chân 9) là lối vào tái khởi động (master reset) của 8051 dùng đểthiết lập trạng thái ban đầu cho toàn hệ thống Khi lối này được treo ở logic 1 tốithiểu hai chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong của 8051 được nạp các giá trị thíchhợp cho việc khởi động lại hệ thống

+ Các chân XTAL1 và XTAL2:

Mạch dao động bên trong chip 8051 được ghép với thạch anh bên ngoài ở haichân XTAL1 và XTAL2 (chân 18 và 19) Tần số danh định của thạch anh là12MHz cho hầu hết các chip của họ MCS-51 (riêng 80C31BH-1 sử dụng thạchanh 16MHz bên trong, mạch dao động trong chip không cần thạch anh bênngoài) Một nguồn xung clock TTL có thể được nối với chân XTAL1 và XTAL2

Hình 2.3: Kết nối xung thạch anh và cấu trúc port vào ra

8051 internal bus: Bus nội của 8051

Read latch: bộ chốt phục vụ đọc

Internal pull up: Mạch pull-up

Read pin: chân port Port latch: Bộ chốt của port

Write to latch: Ghi vào bộ chốt

Sơ đồ mạch điện bên trong của port vào/ra được vẽ đơn giản như hình trên, việc ghi dữ liệu đến 1 chân của Port thực chất là nạp dữ liệu vào bộ chốt của port, lối ra Q

của bộ chốt điều khiển một Transistor trường và Transistor này nối với chân của port.Khả năng Fanout của các port 1, 2 và 3 là 4, tải của vi mạch TTL loại Schottky côngsuất thấp (LS)

Ta thấy có 2 khả năng: "đọc bộ chốt" và “đọc chân port” Các lệnh yêu cầu thao

tác đọc-sửa-ghi đọc bộ chốt để tránh nhầm lẫn mức điện áp do sự kiện dòng tải tăng

Các lệnh nhập 1 bít của port (như MOV C,P1.5) đọc chân port.

2.3 Cấu trúc bên trong của vi điều khiển 8051:

2.3.1 Tổ chức bộ nhớ:

Các vi điều khiển thuộc họ 8051 đều tổ chức thành 2 không gian chương trình và

dữ liệu, hình 2.7 và hình 2.9 sẽ mô tả điều này Kiến trúc vi xử lý 8 bit của 8051 nàycho phép truy nhập và tính toán nhanh hơn đối với không gian dữ liệu nhờ việc phânchia 2 không gian bộ nhớ chương trình và dữ liệu như trên Tuy nhiên bộ nhớ ngoàiđược truy nhập bởi hệ thống 16 bit địa chỉ vẫn có thể thực hiện nhờ thanh ghi con trỏ

Vi điều khiển họ 8051 có không gian bộ nhớ chương trình là 64K địa chỉ, đócũng là dung lượng bộ nhớ chương trình lớn nhất mà mỗi chip thuộc họ này cóthể có được Bộ nhớ chương trình của các chip họ 8051 có thể thuộc một trongcác loại: ROM, EPROM, Flash, hoặc không có bộ nhớ chương trình bên trongchip Tên của từng chip thể hiện chính loại bộ nhớ chương trình mà nó mangbên trong, cụ thể là vài ví dụ sau:

Hình 2.4: Bảng thể hiện tên chip và loại bộ nhớ nó mang

Bộ nhớ chương trình (ROM, EPROM) là bộ nhớ chỉ đọc, có thể mở rộng tối đa64Kbyte Với họ vi điều khiển 89xx, bộ nhớ chương trình được tích hợp sẵn trong chip

có kích thước nhỏ nhất là 4kByte Với các vi điều khiển không tích hợp sẵn bộ nhớchương trình trên chip, buộc phải thiết kế bộ nhớ chương trình bên ngoài Ví dụ sửdụng EPROM: 2764 (64Kbyte), khi đó chân PSEN phải ở mức tích cực (5V)

STT Tên chip Bộ nhớ SRAM Bộ nhớ EEPROM

Hình 2.5: Cấu trúc vi điều khiển 89C51

Vi điều khiển họ 8051 có không gian bộ nhớ dữ liệu là 64K địa chỉ, đó cũng làdung lượng bộ nhớ dữ liệu lớn nhất mà mỗi chip thuộc họ này có thể có được (nếuphối ghép một cách chính tắc, sử dụng các đường tín hiệu của bus địa chỉ và dữ liệu)

Bộ nhớ dữ liệu của các chip họ 8051 có thể thuộc một hay hai loại: SRAM hoặcEEPROM Bộ nhớ dữ liệu SRAM được tích hợp bên trong mọi chip thuộc họ vi điềukhiển này, có dung lượng khác nhau tùy loại chip, nhưng thường chỉ khoảng vài trămbyte Đây chính là nơi chứa các biến trung gian trong quá trình hoạt động của chip.Khi mất điện, do bản chất của SRAM mà giá trị của các biến này cũng bị mất theo.Khi có điện trở lại, nội dung của các ô nhớ chứa các biến này cũng là bất kỳ, không thểxác định trước Bên cạnh bộ nhớ loại SRAM, một số chip thuộc họ 8051 còn có thêm

bộ nhớ dữ liệu loại EEPROM với dung lượng tối đa vài Kbyte, tùy từng loại chip cụthể Dưới đây là một vài ví dụ về bộ nhớ chương trình của một số loại chip thông dụngthuộc họ 8051

24

Hình 2.6: Bảng về bộ nhớ của một số loại chip thuộc họ 8051

Bộ nhớ dữ liệu (RAM) tồn tại độc lập so với bộ nhớ chương trình Họ vi điềukhiển 8051 có bộ nhớ dữ liệu tích hợp trên chip nhỏ nhất là 128byte và có thể mở rộngvới bộ nhớ dữ liệu ngoài lên tới 64kByte Với những vi điều khiển không tích hợpROM trên chip thì vẫn có RAM trên chip là 128byte Khi sử dụng RAM ngoài, CPUđọc và ghi dữ liệu nhờ tín hiệu trên các chân RD và WR Khi sử dụng cả bộ nhớchương trình và bộ nhớ dữ liệu bên ngoài thì buộc phải kết hợp chân RD và PSEN bởicổng logic AND để phân biệt tín hiệu truy xuất dữ liệu trên ROM hay RAM ngoài

Hình 2.7: Cấu trúc bộ nhớ chương trình

Hình 2.8: Địa chỉ các ngắt trên bộ nhớ chương trình

Hình trên mô tả cấu trúc bộ nhớ chương trình Sau khi khởi động, CPU bắt đầuthực hiện chương trình ở vị trí 0000H Hình 2.8 mô tả địa chỉ ngắt mặc định trên bộnhớ chương trình Mỗi khi xảy ra ngắt, con trỏ của CPU sẽ nhảy đến đúng địa chỉ ngắttương ứng và thực thi chương trình tại đó Ví dụ ngắt ngoài 0 sẽ có địa chỉ là 0003H,khi xảy ra ngắt ngoài 0 thì con trỏ chương trình sẽ nhảy đến đúng địa chỉ 0003H đểthực thi chương trình tại đó Nếu trong chương trình ứng dụng không xử dụng đếnngắt ngoài 0 thì địa chỉ 0003H vẫn có thể dùng cho mục đích khác (sử dụng cho bộnhớ chương trình) Bởi vậy khi lập trình bằng ngôn ngữ Assembly, phần đầu chươngtrình bao giờ cũng phải cho chương trình nhảy đến địa chỉ cao hơn địa chỉ chứa cácngắt và mã lệnh viết cho các ngắt thì phải viết đúng địa chỉ của các ngắt tương ứng

Hình 2.9: Cấu trúc bộ nhớ dữ liệu

Hình trên mô tả cấu trúc bộ nhớ dữ liệu trong và bộ nhớ dữ liệu ngoài của họ vi điềukhiển 8051 CPU sẽ dùng đến các chân RD và WR khi truy cập đến bộ nhớ dữ liệungoài

Hình 2.10: Cấu trúc bộ nhớ trong

Hình trên mô tả cấu trúc bộ nhớ dữ liệu trong chip, được chia thành 3 khối là 128 bytethấp, 128 byte cao và 128 byte đặc biệt

Hình 2.11: Cấu trúc 128 byte thấp của bộ nhớ dữ liệu trong

Hình trên mô tả cấu trúc 128 byte thấp của bộ nhớ dữ liệu của họ vi điều khiển 8051

32 byte đầu tiên (00H-1FH) được sử dụng cho 4 bộ 8 thanh ghi R0-R7 Hai bit củathanh ghi đặc biệt PSW sẽ lựa chọn 1 trong 4 bộ thanh ghi mà vi điều khiển sẽ dùngtrong khi thực thi chương trình

8051 chứa 210 vị trí bit được định địa chỉ trong đó 128 bit chứa trong các byte ởđịa chỉ từ 20H đến 2FH (16 byte x 8 bit = 128 bit) và phần còn lại chứa trong cácthanh ghi đặc biệt Ngoài ra 8051 còn có các port xuất/nhập có thể định địa chỉ từngbit, điều này làm đơn giản việc giao tiếp bằng phần mềm với các thiết bị xuất/nhậpđơn bit

Vùng RAM đa mục đích có 80 byte đặt ở địa chỉ từ 30H đến 7FH, bên dưới vùngnày từ địa chỉ 00H đến 2FH là vùng nhớ có thể được sử dụng tương tự Bất kỳ vị trínhớ nào trong vùng RAM đa mục đích đều có thể được truy xuất tự do bằng cách sửdụng các kiểu định địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

Bất kỳ vị trí nhớ nào trong vùng RAM đa mục đích đều có thể được truy xuất tự

do bằng cách sử dụng các kiểu định địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

Cũng như các thanh ghi từ R0 đến R7, ta có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt SFRchiếm phần trên của Ram nội từ địa chỉ 80H đến FFH Cần lưu ý là không phải tất cả

128 địa chỉ từ 80H đến FFH đều được định nghĩa mà chỉ có 21 địa chỉ được địnhnghĩa

Hình 2.12: 128 byte cao của bộ nhớ dữ liệu.

2.3.2 Các thanh ghi đặc biệt:

8051 có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt SFR chiếm phần trên của Ram nội từđịa chỉ 80H đến FFH Cần lưu ý là không phải tất cả 128 địa chỉ từ 80H đến FFH đềuđược định nghĩa mà chỉ có 21 địa chỉ được định nghĩa Hình 2.13 mô tả các thanh ghiđặc biệt trong vùng nhớ dữ liệu 80H đến FFH

Hình 2.13: Các thanh ghi đặc biệt

* Thanh ghi chính:

Thanh ghi tính toán chính của vi điều khiển 8051 ACC (Accumulator) Là thanhghi đặc biệt của 8051 dùng để thực hiện các phép toán của CPU, thường kí hiệu là A

* Thanh ghi phụ:

Thanh ghi tính toán phụ của vi điều khiển 8051 là B Thanh ghi B ở địa chỉ F0Hđược dùng chung với thanh chứa A trong các phép toán nhân, chia Lệnh MUL ABnhân 2 số 8 bit không dấu chứa trong A và B và chứa kết quả 16 bit vào cặp thanh ghi

B, A (thanh chứa A cất byte thấp và thanh ghi B cất byte cao)

Lệnh chia DIV AB chia A bởi B, thương số cất trong thanh chứa A và dư số cấttrong thanh ghi B Thanh ghi B còn được xử lý như một thanh ghi nháp Các bit đượcđịnh địa chỉ của thanh ghi B có địa chỉ từ F0H đến F7H

* Thanh ghi trạng thái chương trình (PSW):

Thanh ghi trạng thái chương trình PSW là thanh ghi mô tả toàn bộ trạng tháichương trình đang hoạt động của hệ thống

* Thanh ghi ngăn xếp (Stack Pointer):

Con trỏ stack SP (stack pointer) là 1 thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H SP chứa địachỉ của dữ liệu hiện đang ở đỉnh của stack Các lệnh liên quan đến satck bao gồm lệnhcất dữ liệu vào stack và lệnh lấy dữ liệu ra khỏi stack Việc cất vào stack làm tăng SPtrước khi ghi dữ liệu và việc lấy dữ liệu ra khỏi stack sẽ giảm SP Vùng stack của 8051được giữ trong RAM nội và được giới hạn đến các địa chỉ truy xuất được bởi kiểu địnhđịa chỉ gián tiếp Các lệnh PUSH và POP sẽ cất dữ liệu vào stack và lấy dữ liệu từstack, các lệnh gọi chương trình con (ACALL, LCALL) và lệnh trở về (RET, RETI)cũng cất và phục hồi nội dung của bộ đếm chương trình PC (Program counter)

* Con trỏ dữ liệu DPTR:

Con trỏ dữ liệu DPTR (data pointer) được dùng để truy xuất bộ nhớ chương trìnhngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu ngoài DPTR là một thanh ghi 16 bit có địa chỉ là 82H(DPL, byte thấp) và 83H (DPH, byte cao)

*Thanh ghi các cổng P0-P3:

Các port xuất/nhập của 8051 bao gồm Port 0 tại địa chỉ 80H, Port 1 tại địa chỉ90H, Port 2 tại địa chỉ A0H và Port 3 tại địa chỉ B0H Tất cả các port đều được địnhđịa chỉ từng bit nhằm cung cấp các khả năng giao tiếp mạnh.

* Thanh ghi bộ đệm truyền thông nối tiếp (Serial Data Buffer):

Bộ đệm truyền thông được chia thành hai bộ đệm, bộ đệm truyền dữ liệu và bộđệm nhận dữ liệu Khi dữ liệu được chuyển vào thanh ghi SBUF, dữ liệu sẽ đượcchuyển vào bộ đệm truyền dữ liệu và sẽ được lưu giữ ở đó cho đến khi quá trìnhtruyền dữ liệu qua truyền thông nối tiếp kết thúc Khi thực hiện việc chuyển dữ liệu từSBUF ra ngoài, dữ liệu sẽ được lấy từ bộ đệm nhận dữ liệu của truyền thông nối tiếp

* Thanh ghi của bộ định thời/bộ đếm:

8051 có 2 bộ đếm/định thời (counter/timer) 16 bit để định các khoảng thời gianhoặc để đếm các sự kiện Các cặp thanh ghi (TH0, TL0) và (TH1, TL1) là các thanhghi của bộ đếm thời gian 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 (TH1, bytecao)

Hoạt động của bộ định thời được thiết lập bởi thanh ghi chế độ định thời TMOD(Timer Mode Register) ở địa chỉ 88H Chỉ có TCON được định địa chỉ từng bit

* Các thanh ghi điều khiển:

Các thanh ghi điều khiển đặc biệt như IP, IE, TMOD, TCON, SCON và PCON làcác thanh ghi điều khiển và ghi nhận trạng thái của hệ thống ngắt, bộ đếm/định thời,truyền thông nối tiếp

2.3.3 Truy suất địa chỉ:

8051 có các kiểu truy xuất địa chỉ khác nhau:

 Thanh ghi (Register)

 Trực tiếp (Direct)

 Gián tiếp (Indirect)

 Tức thời (Immediate)

 Tương đối (Relative)

 Tuyệt đối (Absolute)

 Dài (Long)

 Chỉ số (Indexed)

* Truy xuất địa chỉ thanh ghi:

Hình 2.14: Truy xuất địa chỉ thanh ghi

8051 cho phép truy xuất 8 thanh ghi “làm việc”, được đánh số từ R0 → R7 Cáclệnh sử dụng kiểu định địa chỉ thanh ghi được mã hóa bằng cách dùng 3 bit thấp nhấtcủa opcode (của lệnh) để chỉ ra 1 thanh ghi bên trong không gian địa chỉ logic này.Vậy: 1 mã chức năng + địa chỉ toán hạng → 1 lệnh ngắn 1 byte

* Truy xuất địa chỉ kiểu trực tiếp:

Hình 2.15: Truy xuất địa chỉ kiểu trực tiếp

Kiểu định địa chỉ trực tiếp được sử dụng để truy xuất các biến nhớ hoặc cácthanh ghi trên chip Một byte thêm vào tiếp theo opcode dùng để xác định địa chỉ.Trong 8051 có 128 byte bộ nhớ RAM Bộ nhớ RAM được gán địa chỉ từ 00H đến FFH

và được phân chia như sau:

 Các ngăn nhớ từ 00H đến 1FH được gán cho các băng thanh ghi và ngăn xếp

 Các ngăn nhớ từ 20H đến 2FH được dành cho không gian định địa chỉ bít đểlưu dữ liệu theo từng bit

 Các ngăn nhớ từ 30H đến 7FH là không gian để lưu dữ liệu có kích thước 1byte

Chế độ định địa chỉ trực tiếp có thể truy cập toàn bộ không gian của bộ nhớRAM Tuy nhiên, chế độ này thường được dùng để truy cập các ngăn nhớ RAM từ30H đến 7FH, vì thực tế đối với không gian nhớ danh cho băng thanh ghi thì đã đượctruy cập bằng tên thanh ghi như R0- R7 Ở chế độ định địa chỉ trực tiếp , địa chỉ ngănnhớ RAM chứa dữ liệu là toán hạng của lệnh

Một ứng dụng quan trọng của chế độ định địa chỉ trực tiếp là ngăn xếp Trong họ

8051, chỉ có chế độ định địa chỉ trực tiếp là được phép cất và lấy dữ liệu từ ngăn xếp

* Truy xuất địa chỉ kiểu gián tiếp:

Hình 2.16: Truy xuất địa chỉ kiểu gián tiếp

Ở chế độ này, thanh ghi được dùng để trỏ đến dữ liệu có trong bộ nhớ

Nếu dữ liệu có trên chip CPU thì chỉ các thanh ghi R0 và R1 mới được sử dụng,

và như vậy cũng có nghĩa là không thể dùng các thanh ghi R2-R7 để trỏ đến địa chỉcủa toán hạng ở chế độ định địa chỉ này Nếu R0 và R1 được dùng làm con trỏ, nghĩa

là chúng lưu địa chỉ của ngăn nhớ RAM thì trước các thanh ghi cần đặt dấu "@"

* Truy xuất địa chỉ kiểu tức thời:

Hình 2.17: Truy xuất địa chỉ kiểu tức thời

Khi toán hạng là một hằng số thay vì là một biến, hằng số này có thể đưa vàolệnh và đây là byte dữ liệu tức thời

Trong hợp ngữ, các toán hạng tức thời được nhận biết nhờ vào ký tự ‘# ‘ đặttrước chúng Toán hạng này có thể là một hằng số học, một biến hoặc một biểu thức số

học sử dụng các hằng số, các ký hiệu và các toán tử Trình dịch hợp ngữ tính giá trị vàthay thế dữ liệu tức thời vào trong lệnh.

Tất cả các lệnh sử dụng kiểu định địa chỉ tức thời đều sử dụng hằng dữ liệu 8 bitlàm dữ liệu tức thời Có một ngoại lệ khi ta khởi động con trỏ dữ liệu 16-bit DPTR,hằng địa chỉ 16 bit được cần đến

* Truy xuất địa chỉ kiểu tương đối:

Hình 2.18: Truy xuất địa chỉ kiểu tương đối

Kiểu định địa chỉ tương đối chỉ được sử dụng cho các lệnh nhảy Một địa chỉtương đối là một giá trị 8 bit có dấu Giá trị này được cộng với một bộ đếm chươngtrình để tạo ra địa chỉ của lệnh tiếp theo cần thực thi Định địa chỉ tương đối có điểmlợi là cung cấp cho ta mã không phụ thuộc vào vị trí, nhưng lại có điểm bất lợi là cácđích nhảy bị giới hạn trong tầm

* Truy xuất địa chỉ kiểu tuyệt đối:

Hình 2.19: Truy xuất địa chỉ kiểu tuyệt đối

Kiểu định địa chỉ này được sử dụng với các lệnh ACAll và AJMP Đây là cáclệnh 2 byte cho phép rẽ nhánh chương trình trong trang 2k hiện hành của bộ nhớchương trình bằng cách cung cấp 11 bit thấp của địa chỉ đích Trong đó có 3 bit cao(A8-A10) và 8 bit thấp (A0-A7) thành lập byte thứ 2 của lệnh

* Truy xuất địa chỉ kiểu dài:

Kiểu định địa chỉ dài chỉ được dùng cho các lệnh LCALL và LJMP Các lệnh 3byte này chứa địa chỉ đích 16 bit Lợi ích của kiểu định địa chỉ này là sử dụng hết toàn

bộ không gian nhớ chương trình 64K, nhưng lại có điểm bất lợi là lệnh dài đến 3-byte

và phụ thuộc vào vị trí

* Truy xuất địa chỉ kiểu chỉ số:

Hình 2.21: Truy xuất địa chỉ kiểu số

Chế độ định địa chỉ chỉ số được sử dụng rộng rãi khi truy cập các phần tử dữ liệucủa bảng trong không gian ROM chương trình của 8051 Lệnh được dùng cho mụcđích này là "MOVC A, @A+DPTR" Thanh ghi 16 bit DPTR và thanh ghi A đượcdùng để tạo ra địa chỉ của phần tử dữ liệu được lưu trong ROM trên chip Ở lệnh này,nội dung của A được cộng với nội dung thanh ghi 16- bit DPTR để tạo ra địa chỉ 16bit

2.4 Hoạt động TIMER của 8051:

2.4.1 Giới thiệu:

- Bộ định thời của Timer là một chuỗi các Flip Flop được chia làm 2, nó nhậntín hiệu vào là một nguồn xung clock, xung clock được đưa vào Flip Flop thứ nhất làxung clock của Flip Flop thứ hai mà nó cũng chia tần số clock này cho 2 và cứ tiếptục

- Vì mỗi tầng kế tiếp chia cho 2, nên Timer n tầng phải chia tần số clock ngõ vàocho 2n Ngõ ra của tầng cuối cùng là clock của Flip Flop tràn Timer hoặc cờ mà nókiểm tra bởi phần mềm hoặc sinh ra ngắt Giá trị nhị phân trong các FF của bộ Timer

có thể được nghỉ như đếm xung clock hoặc các sự kiện quan trọng

Ví

dụ : Timer 16 bit có thể đếm đến từ FFFFH sang 0000H

- Hoạt động của Timer đơn giản 3 bit được minh họa như sau: