Kĩ thuật vi điều khiển

Một bộ vi điều khiển là một hệ vi xử lí thật sự được tổ chức trong một chip trong một vỏ IC bao gồm một bộ vi xử lí microprocessor, bộ nhớ chương trình ROM, bộ nhớ dữ liệu RAM, tuy không

Biªn so¹n : L©m t¨ng §øc – Lª TiÕn Dòng – Bé m«n T§H Trang 1

Ch−¬ng I Ch−¬ng I Tæng quan vÒ Vi ®iÒu khiÓn

Tæng quan vÒ Vi ®iÒu khiÓn

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 2

Chương I Chương I Tổng quan về

Tổng quan về Vi điều khiển Vi điều khiển Vi điều khiển

1.1 Giới thiệu về các họ vi xử lí và các họ vi điều khiển thông dụng

1.1.1 Lịch sử phát triển của bộ vi xử lí và bộ vi điều khiển

Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điện tử mà đặc trưng là kỹ thuật vi xử lí đ! tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của khoa học tính toán, điều khiển và xử lí thông tin Kỹ thuật vi xử lí đóng một vai trò rất quan trọng trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống và khoa học kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực Tin học và Tự động hóa

Năm 1971, h!ng Intel đ! cho ra đời bộ vi xử lí (microprocessor) đầu tiên trên thế giới tên gọi là Intel-4004/4bit , nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết của một công ty kinh doanh là h!ng truyền thông BUSICOM Intel-4004 là kết quả của một ý tưởng quan trọng trong kỹ thuật vi xử lí số Đó là một kết cấu logic mà có thể thay đổi được chức năng của nó bằng chương trình ngoài chứ không phát triển theo hướng tạo ra một cấu trúc cứng chỉ thực hiện một số chức năng nhất định như trước đây

Sau đó, các bộ vi xử lí mới liên tục được đưa ra thị trường và ngày càng được phát triển, hoàn thiện hơn trong các thế hệ sau :

Vào năm 1972, h!ng Intel đưa ra bộ vi xử lí 8-bit đầu tiên với tên 8008/8bit

Intel-Từ 1974 đến 1975 , Intel chế tạo các bộ vi xử lí 8-bit 8080 và 8085A

Cũng vào khoảng thời gian này, một loạt các h!ng khác trên thế giới cũng đ! cho ra đời các bộ vi xử lí tương tự như : 6800 của Motorola với 5000 tranzitor, Signetics 6520, 1801 của RCA, kế đến là 6502 của h!ng MOS Technology và Z80 của h!ng Zilog

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 3

Vào năm 1976 Intel giới thiệu bộ vi điều khiển (microcontroller) 8748, một chip tương tự như các bộ vi xử lí và là chip đầu tiên trong họ vi điều khiển MCS-48 8748

là một vi mạch chứa trên 17000 transistor, bao gồm một CPU, 1K byte EPROM, 64 byte RAM, 27 chân xuất nhập và một bộ định thời 8-bit IC này và các IC khác tiếp theo của họ MCS-48 đ! nhanh chóng trở thành chuẩn công nghiệp trong các ứng dụng hướng điều khiển (control-oriented application)

Năm 1978 xuât hiện Intel 8086 là loại bộ xi xử lý 16 bit với 29.000 tranzitor, Motorola 68000 tích hợp 70.000 tranzitor, APX 432 chứa 120.000 tranzitor Bộ vi xử

lý của Hewlet Pakard có khoảng 450.000 tranzitor Từ năm 1974 đến 1984 số tranzitor tích hợp trong một chip tăng khoảng 100 lần

Năm 1983, Intel đưa ra bộ vi xử lý 80286 dung trong các máy vi tinh họ AT (Advanced Technology) 80286 sử dụng I/O 16 bit, 24 đường địa chỉ và không gian nhớ địa chỉ thực 16MB Năm 1987, Intel đưa ra bộ vi xử lý 80386 32-bit Năm 1989 xuất hiện xuất hiện bộ vi xử lý Intel 80486 là cảI tiến của Intel 80386 với bộ nhớ ẩn

và mạch tính phép toán đại số dấu phẩy động

Năm 1992, xuất hiện Intel 80586 còn gọi là Pentium 64 bit chứa 4 triệu tranzitor

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 4

Hình 1.1 Số tranzitor tích hợp trong một chip của bộ vi xử lý Intel 8086

Độ phức tạp, sự gọn nhẹ về kích thước và khả năng của các bộ vi điều khiển

được tăng thêm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi Intel công bố chip 8051, bộ vi

điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS-51 So với 8048, chip 8051 chứa trên 60.000 transistor bao gồm 4K byte ROM, 128 byte RAM, 32 đường xuất nhập, 1 port nối tiếp và 2 bộ định thời 16-bit – một số lượng mạch đáng chú ý trong một IC

đơn

Từ các bộ vi xử lý ban đầu chỉ là các bộ xử lý trung tâm trong một hệ thống, không thể hoạt động nếu thiếu các bộ phận như RAM, ROM, bo mạch chủ các h!ng đ! phát triển các bộ vi xử lý này lên thành các bộ vi điều khiển để phục vụ các mục đích riêng biệt, khác nhau trong công nghiệp Một bộ vi điều khiển là một hệ vi xử lí thật sự được tổ chức trong một chip (trong một vỏ IC) bao gồm một bộ vi xử lí (microprocessor), bộ nhớ chương trình (ROM), bộ nhớ dữ liệu (RAM), tuy không bằng dung lượng RAM ở các máy vi tính nhưng đây không phải là một hạn chế vì các bộ vi điều khiển được thiết kế cho một mục đích hoàn toàn khác, ngoài ra trên chip còn có bộ xử lý số học-logic (ALU) cùng với các thanh ghi chức năng, các cổng vào/ra, cơ chế điều khiển ngắt, truyền tin nối tiếp, các bộ định thời Hiện nay, các bộ vi điều khiển được sử dụng rất rộng r!i và ngày càng được chuẩn hóa để có thể sử dụng rộng r!i trong các ngành công nghiệp, có mặt trong nhiều máy móc, trong các hàng tiêu dùng

1.1.2 Ưu và khuyết điểm của các bộ vi điều khiển

Các công việc được thực hiện bởi các bộ vi điều khiển thì không mới Điều mới là các thiết kế hiện thực với ít thành phần hơn so với các thiết kế trước đó Các thiết kế trước đó đòi hỏi phải vài chục hoặc vài trăm IC để hiện thực nay chỉ cần một ít thành phần trong đó bao gồm bộ vi điều khiển Số thành phần được giảm bớt, hiệu quả trực tiếp của tính khả lập trình của các bộ vi điều khiển và độ

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 5

tích hợp cao trong công nghệ chế tạo vi mạch, thường chuyển thành thời gian phát triển ngắn hơn, giá thành khi sản xuất thấp hơn, công suất tiêu thụ thấp hơn và độ tin cậy cao hơn

Vấn đề ở đây là tốc độ Các giải pháp dựa trên bộ vi điều khiển không bao giờ nhanh bằng giải pháp dựa trên các thành phần rời rạc Những tình huống đòi hỏi phải

đáp ứng thật nhanh (cỡ nsec) đối với các sự kiện (thường chiếm thiểu số trong các ứng dụng) sẽ được quản lý tồi khi dựa vào các bộ vi điều khiển

Tuy nhiên trong vài ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến con người, các khoảng thời gian trễ tính bằng nsec, usec hoặc thậm chí msec là không quan trọng Việc giảm bớt các thành phần là một điều lợi như đ! đề cập, các thao tác trong chương trình điều khiển làm cho thiết kế có thể thay đổi bằng cách thay đổi phần mềm Điều này có ảnh hưởng tối thiểu đến chu kỳ sản xuất Do đó các bộ vi

điều khiển có thể được ứng dụng rộng r!i trong các ứng dụng phục vụ con người

Để có thể hiểu rõ hơn về các bộ vi điều khiển, chúng ta sẽ tìm hiểu về một số các họ vi điều khiển của một số h!ng điện tử điển hình đang được sử dụng rộng r!i trong khoa học kỹ thuật và đời sống

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 6

1.1.3 Giới thiệu về họ vi điều khiển MCS-51

1.1.3.1 Tóm tắt phần cứng

Họ vi điều khiển MCS-51 được h!ng Intel cho ra đời vào năm 1980 với bộ vi

điều khiển đầu tiên của nó là chip 8051

Cấu trúc cơ bản của chip vi điều khiển 8051 được biểu diễn như hình 1.2

Hình 1.3 cho ta sơ đồ chân của chip 8051 Như ta

thấy, 32 trong số 40 chân của 8051 có tác dụng

xuất/nhập, hình thành 4 port 8-bit Với các thiết kế

yêu cầu một mức tối thiểu bộ nhớ ngoài hoặc các

thành phần bên ngoài khác, ta có thể sử dụng các port

này làm nhiệm vụ xuất/nhập, 8 đường cho mỗi port

có thể được xử lí như là một đơn vị giao tiếp với các

thiết bị song song như máy in, bộ biến đổi

Hình 1.2- Sơ đồ khối của chip 8051

Hình 1.3 - Sơ đồ chân của 8051 8051

31 19

18

9

12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8

39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 17 16 29 30 11 10

EA/VP X1

X2

RESET

INT0 INT1 T0 T1 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 RD WR PSEN ALE/P TXD RXD

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 7

D/A,.v.v hoặc mỗi đường có thể hoạt động độc lập giao tiếp với một thiết bị đơn bit như chuyển mạch, LED, tranzistor, cuộn dây, động cơ

1 Port 0

Port 0 có 2 tác dụng Trong các thiết kế ứng dụng tối thiểu, không có giao tiếp với các thành phần bên ngoài như RAM ngoài, ROM ngoài , port 0 được sử dụng như một cổng xuất/nhập thông thường Khi thiết kế hệ thống mà cần sử dụng bộ nhớ ngoài, port 0 được sử dụng là cổng địa chỉ và dữ liệu đa hợp Port 0 nếu là cổng địa chỉ thì nó

sẽ là phần byte thấp của bus địa chỉ

2 Port 1

Port 1 chỉ có một tác dụng là cổng xuất nhập Nó chỉ dùng để giao tiếp với thiết

bị ngoại vi khi có yêu cầu Không có chức năng nào đặc biệt cho các chân của port 1 Tuy nhiên với các bộ vi điều khiển khác như 8052 thì các chân P1.0 và P1.1 còn được

sử dụng làm các đường ngõ vào cho mạch định thời thứ ba

3 Port 2

Port 2 có hai tác dụng, hoặc làm nhiệm vụ là cổng xuất nhập, hoặc là phần byte cao của bus địa chỉ 16-bit cho các thiết kế hệ thống cần nhiều hơn 256 byte bộ nhớ ngoài

4 Port 3

Port 3 có hai tác dụng Nó làm nhiệm vụ như một cổng xuất nhập thông thường Khi không hoạt động xuất nhập, mỗi chân của port 3 đều có một chức năng riêng

5 Chân cho phép bộ nhớ ngoài /PSEN - Program Store ENable

Chân này thường được nối với chân cho phép xuất /OE (Output Entable) của EPRROM (hoặc của ROM) để cho phép đọc các byte lệnh Tín hiệu /PSEN ở lôgic ‘0‘ trong suốt thời gian tìm nạp lệnh Các m! nhị phân của chương trình (opcode) được

đọc từ EPROM, qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR của 8051 để được giải m! Khi thực thi một chương trình trong ROM nội, /PSEN được duy trì ở lôgic không tích cực (logic 1)

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 8

6 Chân cho phép chốt địa chỉ ALE - Address Latch Enable

Là tín hiệu xuất ra để giải đa hợp bus địa chỉ và bus dữ liệu Trong 1/2 chu kỳ đầu

bộ nhớ, chân ALE xuất tín hiệu để chốt địa chỉ (byte thấp của bus địa chỉ 16 bit) vào thanh ghi ngoài khi ta sử dụng port 0 làm byte thấp địa chỉ Trong 1/2 chu kỳ bộ nhớ còn lại port 0 sẽ xuất/nhập dữ liệu Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động bên trong chip vi điều khiển và có thể làm xung clock cho các phần còn lại của hệ thống (trường hợp ngoại lệ khi thực hiện lệnh MOVX, một xung ALE (và cả /PSEN) sẽ bị bỏ qua) Chân ALE còn được dùng để nhập xung ngõ vào lập trình cho EPROM hoặc Flash ROM trên chip đối với chip có loại ROM này

7 Chân truy xuất ngoài /EA - External Address

Chân này được nối lên 5V khi thực thi chương trình trong ROM nội và được nối

đất khi thực thi chương trình bộ nhớ ngoài Chú ý đối với các chip không có ROM nội /EA phải được nối đất Các chip họ 8051 có EPROM còn nhận chân /ALE làm chân nhận điện áp cấp điện 12V cho việc lập trình (nạp) cho EPROM nội

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 9

1.1.3.2 Tổ chức bộ nhớ của 8051

Các chip vi điều khiển dùng làm thành phần trung tâm trong các thiết kế hướng

điều khiển Bộ nhớ thường có dung lượng bé hơn nhiều so với một hệ vi xử lý Nó còn không có ổ đĩa và hệ điều hành Chương trình điều khiển phải thường trú trong ROM

Do vậy, chương trình vẫn được lưu giữ ngay cả khi mất điện

Do lý do trên, chip 8051 có không gian bộ nhớ riêng cho chương trình và dữ liệu Cả bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu đều nằm trong chip Tuy nhiên ta có thể mở rộng bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu bằng cách sử dụng các chip nhớ bên ngoài với dung lượng tối đa là 64K cho bộ nhớ chương trình và 64K cho bộ nhớ dữ liệu

Bộ nhớ chương trình (ROM)

Bộ nhớ chương trình lưu giữ chương trình điều khiển chip 8051

Sau khi RESET, CPU bắt đầu thực hiện chương trình từ địa chỉ 0000H Khi chương trình lớn quá kích thước bộ nhớ chương trình bên trong chip, chương trình này phải được nạp vào bộ nhớ chương trình ngoài Nếu chương trình nằm trong ROM nội, chân /EA của 8051 phải được treo lên 5V Nếu chương trình ở ROM ngoài, chân /EA phải nối đất Việc truy xuất chương trình ở bộ nhớ ngoài phải kết hợp với chân tín hiệu truy xuất bộ nhớ ngoài /PSEN

Bộ nhớ dữ liệu (RAM)

8051 có 128 byte RAM ở bên trong chip Chúng được chia làm nhiều vùng khác nhau : vùng RAM đa mục đích, vùng RAM định địa chỉ bit, các d!y thanh ghi, và các thanh ghi chức năng đặc biệt Ta h!y xem xét từng vùng RAM cụ thể

- Vùng RAM đa mục đích : Có địa chỉ từ 30H đến 7FH (80 byte) Vùng RAM này có thể truy xuất bằng cách định địa chỉ trực tiếp hoặc định địa chỉ gián tiếp Nó

có thể dùng để chứa các biến trong chương trình hay dùng để định địa chỉ cho các cổng ngoại vi tuỳ theo mục đích của người sử dụng

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 10

- Vùng RAM định địa chỉ từng bit : Có 128 bit chứa trong các byte ở địa chỉ từ 20H đến 2FH và 32 byte chứa các thanh ghi (00H đến 1FH)

- Các dNy thanh ghi từ Bank 0 tới Bank 3 : Nằm ở 32 byte thấp nhất của vùng nhớ dữ liệu Khi RESET hệ thống d!y thanh ghi mặc định là Bank 0 Có thể chọn Bank bởi thanh ghi từ trạng thái chương trình (PSW- Program Status Word) Các lệnh sử dụng các thanh ghi từ R0 đến R7 là các lệnh ngắn và thực hiện nhanh hơn so với các lệnh tương đương sử dụng kiểu định địa chỉ trực tiếp Các giá trị dữ liệu thường được

sử dụng nên chứa ở một trong các thanh ghi này

Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR- Special Function Register)

Có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt chiếm phần trên của RAM nội có địa chỉ từ 80H đến FFH Các địa chỉ được định nghĩa trong vùng RAM này gồm các thanh ghi

điều khiển của 8051, các thanh ghi đệm, và các cổng vào ra

- Thanh ghi từ trạng thái PSW - Program Status Word : Có địa chỉ là D0H Chứa các bit trạng thái có chức năng khác nhau

- Thanh ghi chứa ACC: Có địa chỉ là A0H Thường được dùng làm biến nhớ trung gian trong các phép tính toán số học

- Thanh ghi B: Có địa chỉ là F0H Thường được dùng chung với thanh ghi ACC trong các phép toán nhân chia

- Các cổng giao tiếp song song : Đó là các cổng P0, P1, P2, P3 Được định địa chỉ tương ứng là 80H, 90H, A0H, B0H

- Các thanh ghi phục vụ cho truyền thông nối tiếp SCON (Serial port CONtrol) và SBUF (Serial data BUFfer): Thanh ghi SCON dùng để thiết lập các thông số cho việc truyền thông nối tiếp Còn thanh ghi SBUF dùng làm vùng nhớ đệm buffer cho việc truyền thông

- Thanh ghi PCON - Power CONtrol: Đây là thanh ghi điều khiển nguồn cấp cho 8051 Có thể dùng thanh ghi này để đặt bộ vi điều khiển vào chế độ Power Down hoặc IDE

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 11

- Các thanh ghi điều khiển ngắt IP (Interrupt Priority) và IE (Interrupt Enable) : Thanh ghi IE dùng để cho phép các ngắt hoạt động/không hoạt động Còn thanh ghi IP dùng để xác định mức ưu tiên cho các ngắt của 8051

- Các thanh ghi điều khiển bộ định thời : Đó là các thanh ghi TMOD, TCON, TH0, TL0, TH1, TL1 Các thanh ghi này được sử dụng để điều khiển bộ định thời 0

và 1

- Thanh ghi SP - Stack Pointer : Thanh ghi con tror ngăn xếp (stack), SP chứa

địa chỉ của dữ liệu hiện đang ở đỉnh stack Nội dung mặc định của SP khi khởi động là 07H Thao tác cất vào stack đầu tiên sẽ lưu dữ liệu vào vị trí nhớ có địa chỉ 08H vì cơ chế làm việc của chip 8051 là tăng nội dung SP lên 1 trước khi thực hiện lưu dữ liệu vào ngăn xếp

- Con trỏ dữ liệu DPTR - Data PoinTeR : Được dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu ngoài DPTR là thanh ghi 16 bit gồm 2 phần là DPH và DPL

1.1.3.3 Các hoạt động chức năng chính của 8051

Hoạt động định thời

Các bộ định thời dùng để tạo ra các khoảng thời gian khác nhau, dùng để đếm

sự kiện hoặc dùng để tạo tốc độ baud cho việc truyền thông nối tiếp Trong 8051 có hai bộ định thời là T0 và T1 Việc lựa chọn chế độ hoạt động cho các Timer này nhờ vào thanh ghi TMOD Còn việc điều khiển các Timer hoạt động nhờ vào thanh ghi TCON Có 4 mode hoạt động cho các Timer Mode 0 là chế độ định thời 13-bit, Mode 1 là chế độ định thời 16-bit, Mode 2 là chế độ định thời tự nạp lại 8-bit, Mode

3 là chế độ định thời chia xẻ và có hoạt động khác nhau cho từng bộ định thời

Hoạt động của port nối tiếp

Chức năng cơ bản của port nối tiếp là chuyển đổi dữ liệu từ song song thành nối tiếp khi phát và từ nối tiếp thành song song khi thu Dữ liệu được truyền đi hoặc nhận

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 12

về thông qua bộ đệm dữ liệu nối tiếp SBUF (Serial data BUFfer) Khi truyền đi, dữ liệu

được chuyển từ song song sang nối tiếp thông qua chân TxD Khi thu, dữ liệu được chuyển từ nối tiếp sang song song thông qua chân RxD Thanh ghi SBUF có địa chỉ 99H Việc ghi dữ liệu cho SBUF tức là phát dữ liệu, việc đọc SBUF tức truy xuất dữ liệu nhận được (thu dữ liệu) Điều khiển port nối tiếp thông qua thanh ghi SCON có địa chỉ là 98H, thanh ghi này là thanh ghi định địa chỉ từng bit cho ta xác định được các chế độ làm việc của port nối tiếp (thông qua hai bit MS0 & MS1)

Hoạt động của ngắt trong 8051

Có 5 nguyên nhân để tạo ra ngắt trong 8051 Đó là 2 ngắt ngoài, hai ngắt do bộ

định thời và một ngắt do port nối tiếp Khi ta thiết lập trạng thái ban đầu (sau khi RESET), tất cả các ngắt đều bị vô hiệu hoá và sau đó chúng được cho phép riêng rẽ bằng phần mềm

Khi chương trình đang thực hiện, nếu có ngắt với ưu tiên cao xuất hiện, trình phục

vụ ngắt cho ngắt có mức ưu tiên thấp tạm dừng Ta không thể tạm dừng một chương trình ngắt có mức ưu tiên cao hơn Khi có 2 ngắt khác nhau xuất hiện đồng thời, ngắt

có mực ưu tiên cao sẽ được phục vụ trước Khi 2 ngắt có cùng mức ưu tiên xuất hiện

đồng thời, chuỗi vòng cố định sẽ xác định ngắt bào được phục vụ trước Chuỗi vòng này sẽ là ngắt ngoài 0, ngắt ngoài 1, ngắt do bộ định thời 0, ngắt do bộ định thời 1, ngắt do port nối tiếp, ngắt do bộ định thời 2 (đối với 8052)

Khi một ngắt được chấp nhận, giá trị được nạp cho bộ đếm chương trình được gọi

là véc tơ ngắt Véc tơ ngắt là địa chỉ bắt đầu của trình phục vụ ngắt của các ngắt tương ứng Các véc tơ ngắt được cho ở bảng sau :

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 13

Hoạt động RESET của 8051

8051 đ−ợc reset bằng cách giữ chân RST ở mức cao tối thiểu hai chu kỳ máy và sau đó chuyển về mức thấp Trạng thái của tất cả các thanh ghi sau khi reset hệ thống nh− sau :

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 14

Khi reset hệ thống thanh ghi PC được nạp địa chỉ 0000H, khi đó chương trình sẽ bắt đầu từ địa chỉ đầu tiên trong bộ nhớ chương trình Nội dung của RAM trên chip không bị ảnh hưởng khi ta reset hệ thống

1.1.4 Giới thiệu họ vi điều khiển 8 bit của Motorola

Các họ vi điều khiển của Motorola được kí hiệu bắt đầu bởi chữ cái MC Vì cố gắng giữ lại phần mềm các nhà chế tạo linh kiện bán dẫn thường duy trì sự tương thích với các bộ vi xử lí đầu đời H!ng Motorola đưa ra bộ vi điều khiển M6801 đầu tiên của h!ng trên thị trường thế giới vào năm 1978 và bộ vi điều khiển này được chế tạo trên cơ sở sử dụng bộ vi xử lí M6800 Bộ vi điều khiển M6801 có bộ nhớ ROM và RAM ngoài lớn nhất lên đến 64KB với mạch giao diện vào/ra, truyền thông nối tiếp không

đồng bộ đ! bắt đầu phổ biến trong hệ thống điều khiển ôtô

Sau đó vào năm 1985 Motorola đ! phát triển bộ vi điều khiển 68HC11 tương thích với bộ vi xử lí M6800 Bộ vi điều khiển MC68HC11 tiêu thụ ít công suất hơn và cho phép tín hiệu nhiễu cao hơn so với các bộ vi xử lí đầu đời MC68HC11 có nhiều phiên bản, ví dụ MC68HC11A8 và MC68HC11E9 Một số h!ng như Mitsubishi, Toshiba cũng sản xuất các bộ vi điều khiển này theo công nghệ của Motorola

Bảng dưới đây liệt kê các đặc điểm cơ bản của một số chip vi điều khiển trong họ 68HC11:

68HC11A8 8KB 256 bytes 512 bytes 8 channels 38 pins

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 15

1.1.5 Giới thiệu các họ vi điều khiển 8 bit của hãng Microchip Technology H!ng Microchip Technology là một trong những nhà cung cấp hàng đầu về các giải pháp điều khiển cho các hệ thống nhúng (Embedded control system) Hai dòng sản phẩm chính của h!ng là các họ vi điều khiển 8-bit PIC16/17 và các chip nhớ không bay hơi EEPROM nối tiếp, những sản phẩm này được đưa vào ứng dụng cho việc đưa ra các giải pháp thiết kế các hệ thống điều khiển nhúng của h!ng cung cấp cho khách hàng

Các họ vi điều khiển PIC16Cxx và PIC17Cxx của h!ng Microchip Technology

được sử dụng khá thông dụng và rộng r!i cho các ứng dụng điều khiển trong việc chế tạo các sản phẩm tiêu dùng, trong tự động hóa văn phòng, thiết bị ngoại vi của máy tính, các hệ thống tự động điều khiển

Dưới đây liệt kê các đặc điểm chính, các thành phần cơ bản của một số chip vi

điều khiển trong các họ vi điều khiển 8- bit PIC16Cxx và PIC17Cxx

Biªn so¹n : L©m t¨ng §øc – Lª TiÕn Dòng – Bé m«n T§H Trang 16

(0) : TÇn sè cÊp t¹o xung Clock (MHz)

(1) : Dung l−îng bé nhí ch−¬ng tr×nh EPROM trong

(2) : Dung l−îng bé nhí ch−¬ng tr×nh EEPROM trong

(3) : Dung l−îng bé nhí d÷ liÖu RAM trong (bytes)

(4) : Dung l−îng bé nhí d÷ liÖu EEPROM trong (bytes)

(11) : Sè nguån ng¾t (Interrup source)

(12) : Sè ®−êng vµo/ra (I/O pins)

(0) : TÇn sè cÊp t¹o xung Clock (MHz)

(1) : Dung l−îng bé nhí ch−¬ng tr×nh EPROM bªn trong

(2) : Dung l−îng bé nhí d÷ liÖu RAM bªn trong

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 17

(3) : Số Module Timer

(4) : Số Module PWM

(5) : Cổng nối tiếp

(6) : Ngắt ngoài (External interrupts)

(7) : Số nguồn ngắt (Interrupt sources)

(8) : Số đường vào/ra (I/O pins)

(9) : Số lệnh điều khiển (Instructions)

Đánh giá các dòng PIC

- Dòng PIC nhiều chân nhất là dòng dsPIC30Fxxxx và PIC18Fxxxx, có những con số chân lên đến 80 chân

- Dòng PIC ít chân nhất là dòng PIC10Fxxx, chỉ có 6 chân

- Dòng PIC phổ biến nhất là dòng PIC16F877A (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ nhớ

đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường)

- Dòng PIC mà được các chuyên gia đánh giá cao nhất là dòng PIC16F876A (28 chân, chức năng không khác gì so với PIC16F877A, nhưng nhỏ gọn hơn nhiều, và số chân cũng không quá ít như PIC16F88)

- Dòng PIC hỗ trợ giao tiếp USB là dòng PIC18F2550 và PIC18F4550

- Dòng PIC điều khiển động cơ mạnh nhất là dòng PIC18F4x31 và dòng dsPIC30F dùng điều khiển động cơ

- Dòng PIC hiện nay đ! không còn được sản xuất nữa là dòng PIC17xxxxx

*(Các đánh giá về PIC được trích ở website www.picvietnam.com)

1.1.6 Giới thiệu chip vi điều khiển thông minh PSoC

PSoC là chữ viết tắt của Programmable System on Chip Đó là một công nghệ chế tạo chip hiện đại nhất cho đến nay, cho phép tạo ra các chip hệ thống xử lí hỗn hợp (Mixed signal) với khả năng xử lí thuật toán mạnh

Đặc điểm của các thế hệ vi điều khiển chế tạo theo công nghệ trước đây là trên một chip vi điều khiển chỉ có thể thay đổi được chương trình phần mềm chứ không thể lập trình thay đổi được cấu trúc phần cứng Giá thành cho việc sử dụng các chip vi điều

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 18

khiển và mua các phần mềm hỗ trợ để phát triển các ứng dụng là rất đắt và mang lại hiệu quả không cao, khó có thể thông minh hóa việc điều khiển hệ thống

Với chip vi điều khiển thông minh chế tạo theo công nghệ PSoC, chúng ta có thể lập trình trên chip để thay đổi không những cả phần mềm điều khiển mà cả cấu trúc phần cứng ngay khi hệ thống đang hoạt động Việc ứng dụng chip vi điều khiển thông minh theo công nghệ PSoC mang lại hiệu quả cao về kỹ thuật và giá thành giảm đi nhiều lần so với việc sử dụng các chip vi điều khiển trước đây Đối với các chip vi điều khiển thông minh, bên trong nó đ! tích hợp đầy đủ các thành phần CPU, các bộ nhớ, các khối (block) tương tự và số nên một số thành phần ngoại vi bên ngoài chip trong hệ thống có thể giảm đi Vì thế, giá thành và kích thước của hệ thống giảm đi nhiều so với

hệ thống sử dụng các chip vi điều khiển thế hệ trước đây

Hiện nay, có nhiều h!ng điện tử trên thế giới quan tâm đầu tư cho việc nghiên cứu

và áp dụng công nghệ chế tạo chip mới này Trong đó có thể kể đến h!ng Cypress Microchip đ! áp dụng thành công công nghệ PSoC để cho ra đời các họ vi điều khiển thông minh CY8C24xxx, CY8C25xxx, CY8C26xxx và CY8C27xxx

Một ví dụ cụ thể về khả năng lập trình thay đổi cả cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm điều khiển là đề tài ứng dụng chip vi điều khiển thông minh công nghệ PSoC để chế tạo máy bán hàng thông minh tự động Máy có chức năng bán hàng tự

động vào ban ngày và ban đêm thì nó thay đổi cả cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm để làm chức năng truyền thông

Hình 1.3 - Cấu hình của

một chip PSoC

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 19

1.2 Giới thiệu các công cụ phát triển hệ vi xử lí và vi điều khiển

1.2.1 Công cụ phát triển cho họ MCS-51

1.2.1.1 Phần mềm Keil của hãng Keil Software

Phần mềm Keil Vision2 là một chương trình biên dịch cho phép người sử dụng

có thể viết được các chương trình điều khiển cho họ vi điều khiển MSC-51 bằng ngôn ngữ C và cả ASM Nó có chứa hầu hết các hàm chuẩn của ANSI-C Điều này giúp cho người sử dụng có thể tận dụng được những hàm chuẩn của C để viết chương trình cho

vi điều khiển Việc tổ chức chương trình thành các môdun nhỏ cũng rất dễ thực hiện Chương trình biên dịch cho ngôn ngữ C của nó chính là Cx51 Compiler

Cx51 Compiler hỗ trợ tất cả các kiểu dữ liệu chuẩn của C như : char, short, int, long, float Ngoài ra nó còn có một vài kiểu dữ liệu đặc biệt tương thích với họ vi điều khiển MSC-51

- Kiểu bit : đây là kiểu dữ liệu chỉ gồm 2 giá trị 0 và 1 Nó được sử dụng để gán giá trị cho các thanh ghi hay các địa chỉ có thể truy nhập được đến từng bit

- Kiểu sbit, sfr, sfr16 : đây là các kiểu dữ liệu dùng để định nghĩa cho các thanh ghi chức năng đặc biệt Kiểu sfr dùng để định nghĩa cho các thanh ghi SFR 8-bit Còn kiểu sfr16 dùng để định nghĩa cho các thanh ghi SFR 16-bit như thanh ghi RCAP2 dùng để lưu giữ giá trị nạp lại cho Timer 2 Kiểu sbit dùng để định nghĩa từng bit cho các bit trong các thanh ghi đặc biệt mà có thể định địa chỉ bit

Ví dụ khai báo :

sfr P0 = 0x80; /* Port 0 */

sfr SP = 0x81; /* Stack Pointer */

sbit P0_0 = 0x80;

sbit P0_1 = 0x81;

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 20

Về cách tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển trong phần mềm Keil C51 :

- Bộ nhớ chương trình : Đây là vùng nhớ chỉ đọc trong vi điều khiển Nó có thể

có dung lượng tới 64KB Trong phần mềm Keil C51 thì vùng nhớ này được định dạng

bằng từ khoá code

Ví dụ khai báo biến thuộc vùng code :

char code str[]={“DHBKDN”}; //Khai báo một mảng ký tự chứa trong vùng nhớ code

- Bộ nhớ dữ liệu trong : Đây là vùng nhớ có thể vừa ghi và đọc Có 3 kiểu vùng

nhớ dữ liệu ở bên trong vi điều khiển Đó là các kiểu : data, idata, bdata Vùng nhớ

dữ liệu kiểu data là vùng nhớ chứa 128 byte dữ liệu đầu tiên của vi điều khiển Vùng

nhớ này có thể truy cập thông qua địa chỉ trực tiếp được Vùng nhớ dữ liệu kiểu idata

là vùng nhớ 256 byte dữ liệu truy nhập thông qua địa chỉ gián tiếp Vùng nhớ dữ liệu

kiểu bdata là vùng nhớ chứa 16 byte định địa chỉ bit từ địa chỉ 20H đến 2FH

Ví dụ khai báo biến trong vùng nhớ dữ liệu trong :

unsigned char data v1; //Khai báo biến v1 unsigned int idata v2; //Khai báo biến v2

- Bộ nhớ dữ liệu ngoài : Có 2 kiểu dữ liệu ngoài ở trong Keil C51 là XDATA

và PDATA XDATA là vùng nhớ dữ liệu ngoài có thể định địa chỉ được đến 64 KB dữ

liệu PDATA là vùng nhớ chứa từng trang dữ liệu Mỗi trang dữ liệu ngoài chứa được

256 byte Để có thể truy cập được bộ nhớ dữ liệu ngoài, ta phải dùng từ khoá _at_ để

định địa chỉ cho các biến

Ví dụ khai báo biến trong vùng nhớ dữ liệu ngoài :

float xdata a1 _at_ 0x2000; //Khai báo biến a1 có địa chỉ 2000H unsigned long pdata a2 _at_ 0x2004; // Biến a2 có địa chỉ 2004 Con trỏ trong Keil C51 được khai báo giống như khai báo con trỏ trong ngôn ngữ C

Ví dụ về khai báo con trỏ :

char *s; //Con trỏ của một string

int *p; //Con trỏ kiểu int

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 21

Con trỏ được sử dụng để truy cập tới bất cứ phần bộ nhớ nào của vi điều khiển

Có hai cách khai báo sử dụng con trỏ Generic Pointers là kiểu con trỏ dùng chung Khai báo con trỏ sẽ chiếm 3 byte của vùng nhớ dữ liệu mà nó trỏ đến

Con trỏ còn có thể khai báo vùng nhớ dữ liệu cho con trỏ

Ví dụ :

char data *str; /* ptr to string in data */

int xdata *numtab; /* ptr to int(s) in xdata */

long code *powtab; /* ptr to long(s) in code */

Ngoài ra, Keil C51 còn là chương trình mô phỏng chip rất tốt bằng chương trình tích hợp dScope Nó cho phép người sử dụng mô phỏng chương trình viết trong C chạy trên nền chip giống như thật Người sử dụng có thể dễ dàng theo dõi giá trị của Timer, trạng thái các ngắt, đầu ra cổng nối tiếp, đầu ra các port P0 P3

1.2.1.2 Phần mềm Borland Delphi 7.0 của hãng Borland

Borland Delphi 7.0 là một công cụ mạnh dùng để xây dựng các ứng dụng 32 bit chạy trên nền Windows bao gồm cả Windows 9x và NT

1.2.3 Công cụ phát triển cho họ vi điều khiển MC68HC11

Các chip vi điều khiển họ Motorola 68HC11 có thể được lập trình bằng ngôn ngữ Assembly hoặc C như các họ vi điều khiển khác Chúng ta có thể tham khảo công cụ phát triển hỗ trợ cho việc lập trình, mô phỏng và phát triển các ứng dụng với chip vi

điều khiển MC68HC11 sau đây

Phần mềm Micro-IDE

Phần mềm Micro-IDE là một công cụ phát triển mạnh hỗ trợ cho việc lập trình, mô phỏng cho nhiều loại chip vi điều khiển khác nhau, chạy trên môi trường Windows Giao diện người dùng của nó như hình vẽ, với phần mềm này ta có thể lựa chọn để làm việc với các chip trong họ 8051, M68HC11, M68HC12, M68HC16, 8085, 8086, và các chip họ AVR Các tính năng, đặc điểm của phần

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 22

mềm này tương tự như phần mềm Keil C51 nhưng ứng dụng của nó thì rộng hơn cho nhiều loại chip kể trên Ngôn ngữ lập trình có thể soạn thảo và biên dịch trên môi trường của Micro-IDE có thể bằng C hoặc Assembly

1.2.4 Công cụ phát triển cho họ vi điều khiển PIC16/17

Họ vi điều khiển PIC16/17 được hỗ trợ bởi đầy đủ các công cụ phát triển cả về phần cứng và phần mềm sau đây :

PICMASTERđ Real-Time In-Curcirt Emulator

PICSTARTđ Low-Cost Prototype Programmer

PICDEM-1 Low-Cost Demonstration Board

PICDEM-2 Low-Cost Demonstration Board

MPASM Assembler

MPSIM Softwave Simulator

Hình 1.4 - Giao diện của phần mềm Micro-IDE

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 23

C Compiler (MP-C)

Fuzzy logic development system (fuzzy TECHđ-MP)

Dưới đây ta sẽ đi vào giới thiệu hai công cụ phát triển phần mềm thường được sử dụng là MPASM Assembler và C Compiler (MP-C)

điều khiển khác nhau bao gồm cả họ PIC16Cxx, PIC 16Cxx và PIC16C5x

MPASM có các đặc điểm chính sau đây trong việc hỗ trợ phát triển các ứng dụng của người dùng:

+ Cho phép biên dịch chương trình từ m! Assembly sang m! đối tượng cho tất cả các vi điều khiển của h!ng Microchip

+ Cho phép tạo ra các chương trình Macro

+ Tạo ra tất cả các file cần thiết (Object, Listing, Symbol, và các dạng đặc biệt khác) khi biên dịch và gỡ rối cho các hệ vi điều khiển của Microchip

+ Hỗ trợ việc sử dụng và tạo ra các file định dạng Hex, Decimal và Octal

C Compiler (MP-C)

Công cụ phát triển phần mềm MP-C là một trình biên dịch hoàn chỉnh và được tích hợp vào trong môi trường phát triển cho các chip vi điều khiển họ PIC16/17 của Microchip Trình biên dịch này có nhiều khả năng mạnh mẽ và rất dễ sử dụng, điều này khó có thể tìm thấy ở một công cụ phát triển nào khác

Để dễ dàng cho việc sử dụng và gỡ rối, trình biên dịch MP-C sử dụng các ký hiệu thông tin thích hợp với các kí hiệu của công cụ phát triển khác là PICMASTERđ Universal Emulator

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 24

Ngoài ra hiện nay còn có một số phần mềm khác rất linh hoạt, hỗ trợ viết cho nhiều dòng PIC, từ 16/17/18 đến dsPIC bằng C như CCS C, HT PIC, HT PIC 18 hay bằng Pascal như MikroPascal

1.2.5 Công cụ phát triển cho họ vi điều khiển thông minh PSoC

Phần mềm PSoC Designer là một công cụ hoàn chỉnh được tích hợp vào hệ thống hỗ trợ cho việc phát triển cả về mặt lập trình cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm cho các chip vi điều khiển thông minh chế tạo theo công nghệ PSoC của h!ng Cypress Microchip, ví dụ như họ CY8C25-26xxx

Phần mềm PSoC Designer được xây dựng trên nền hệ điều hành Windows và nó

có thể chạy được trên Windows98, Windows NT 4.0, Windows 2000, Windows Millennium (Me), or Windows XP

PSoC Designer giúp người sử dụng lựa chọn một thuật toán cấu hình phần cứng cho vi điều khiển, lập trình phần mềm cho vi điều khiển, và gỡ rối Hệ thống này cho phép quản lí cơ sở dữ liệu bằng các project, tích hợp phần gỡ rối với In-Circuit Emulator, cho phép lập trình ngay trên hệ thống (In-system programming), và hỗ trợ việc tạo ra các Macro CYASM cho chương trình bằng hợp ngữ

PSoC Designer cũng hỗ trợ việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao C và biên dịch,

gỡ rối các chương trình đó cho các thiết bị của h!ng Cypress Microchip

1.3 KIT vi điều khiển

1.3.1 Mục đích

Kỹ thuật vi điều khiển là môn học cơ bản quan trọng đối với sinh viên các ngành

Điều khiển, Tự động hóa , Điện tử, Tin họcv v… nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cần thiết về một họ vi điều khiển, ở đây là họ 8051, như cấu trúc, nguyên tắc hoạt động cùng các mạch phụ trợ, tập lệnh, cách lập trình bằng hợp ngữ, các phương thức điều khiển vào ra và các phương pháp kết nối thiết bị ngoại vi Dựa trên nền tảng kiến thức của môn học kỹ thuật vi điều khiển, sinh viên tiếp thu những môn học kỹ thuật chuyên ngành và tiếp cận dễ dàng hơn với những kỹ thuật, trang thiết bị hiện

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 25

đại.Đồng thời cho phép sinh viên có cái nhìn trực quan và kiểm chứng, khẳng định sự

đúng đắn các kiến thức đ! học Do vậy việc đưa vào giáo trình phần xây dựng thiết kế Kit vi điều khiển là hết sức quan trọng và rất thiết thực đối sinh viên chuyên ngành tự

động hóa, điện tử viễn thông, đo lường … Các Kit vi điều khiển đều được thiết kế dự trên các họ vi điều khiển mà sinh viên đang học trong giáo trình này Sinh viên có thể dùng các Kit vi điều khiển này để điều khiển các quá trình nhiệt độ, điều khiển động cơ,điều khiển các đối tượng giao thông, điều khiển các quá trình sản xuất ……

Trên thế giới có rất nhiều nguồn cung cấp các mạch Kit nói trên như :

+ Từ các h!ng của nước ngoài, ví dụ như bộ KIT MDA-EMS51 của h!ng Midas của Hàn Quốc, KIT và phần mềm phát triển cho họ vi điều khiển PIC của MikroElektronika (Website http://www.mikroelektronika.co.yu/), hay một h!ng nổi tiếng khác là OLIMEX (Website http://www.olimex.com) với các sản phẩm KIT phát triển cho các dòng AVR, PIC, MAXQ, MSP430, ARM Đặc điểm của các sản phẩm này là có các tính năng mạnh, mẫu m! đẹp, phục vụ tốt nhu cầu thực hành của môn học Tuy nhiên giá thành của thiết bị là rất đắt (giá khoảng 700$ đối với KIT MDA-EMS51, và việc đặt mua không được thuận tiện

+ Do các trung tâm nghiên cứu và các trường đại học trong nước tự chế tạo Trong các trường đại học ( Đại học BKĐN – bộ môn tự động hóa đ! chế tạo và sản xuất hoàn chỉnh KIT vi điều khiển phục vụ đào tạo và sản xuất), các thiết bị thực hành môn học vi điều khiển có thể do các cán bộ giảng dạy môn học chế tạo hoặc do các sinh viên tự chế tạo dưới sự hướng dẫn của giáo viên ưu điểm của các sản phẩm chế tạo trong nước là giá thành rẻ mà chất lượng, mẫu m! không thua kém nước ngoài Cấu hình của sản phẩm và nội dung thực hành phù hợp với mục đích, chương trình đào tạo, với điều kiện học tập của sinh viên cả nước nói chung và sinh viên ĐHBK Đà Nẵng nói riêng

Xuất phát từ tình hình thực tế và sự cần thiết đáp ứng nhu cầu thực hành trong quá trình học tập môn học vi điều khiển nói trên, việc thiết kế, xây dựngmột bộ KIT vi

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 26

điều khiển với đầy đủ các thành phần cơ bản (nêu ở phần yêu cầu), là vấn đề hết sức cần thiết đối với cá sinh viên ngành tự động hóa trong trường đại học BKĐN Đây là vấn đề trọng tâm trong giáo trình này

1.3.2 Yêu cầu thiết kế KIT vi điều khiển phục vụ thí nghiệm :

+ Phần cứng : Bởi vì mục đích của sản phẩm là phục vụ cho việc đào tạo nên cấu hình phần cứng phải rõ ràng, dàn trải Kích thước của bộ KIT gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển và bảo quản Các thành phần của bộ KIT được thể hiện rõ ràng, dễ nhận biết, một đặc điểm nữa là nó được phân thành các module nhỏ và liên kết với module trung tâm bằng BUS, điều này cũng giúp người học có thể nhìn thấy một cách trực quan các thành phần của bài thí nghiệm sẽ tiến hành Đồng thời việc tổ chức thành các module nhỏ cũng tiện cho việc sửa chửa, thiết kế mở rộng, và có thể dễ dàng trong việc thương mại hóa sản phẩm sau này

+ Các thành phần của bộ KIT : Bộ KIT có đầy đủ các thành phần cơ bản của một hệ vi điều khiển và các nguồn tài nguyên ngoại vi phong phú, cho phép người sử dụng có thể tự do phát triển các ứng dụng của mình :

Bộ vi điều khiển trung tâm

Các bộ nhớ ROM (nội), RAM (nội/ngoại), EEPROM(nội/ngoại) Các cổng vào/ra tương tự, vào/ra số, các cổng ghép nối ngoại vi

Các đầu vào xung

Mạch điều khiển động cơ một chiều, động cơ bước

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 27

Giao tiếp với máy tính PC qua cổng truyền thông nối tiếp (COM)

và song song (LPT)

+ Các bài thí nghiệm thực hiện trên bộ KIT :

Các bài cơ bản : Giúp sinh viên làm quen với hệ lệnh của chip vi

điều khiển, nhập các lệnh và chạy chương trình để xem kết quả thực hiện của các lệnh

đó

Các bài nâng cao : Gồm các bài thí nghiệm phức tạp hơn thực hiện

sử dụng các thành phần ngoại vi trên bộ KIT Các bài thí nghiệm thực hiện việc điều khiển một quá trình tương tự hoặc số, ví dụ : điều khiển hiển thị đèn LED, LED 7 thanh, ma trận LED, điều khiển vào/ra số - tương tự, điều khiển động cơ bước

+ Thực hiện các bài thí nghiệm :

Các bài tập mẫu xây dựng trước : Đi kèm với sản phẩm bộ KIT là một hệ thống các bài tập mẫu được xây dựng cho các ứng dụng trên bộ KIT như điều khiển các thành phần ngoại vi của KIT, điều khiển vào/ra tương tự - số Sinh viên có thể đọc hướng dẫn sử dụng và thực hiện các bài tập mẫu này trên bộ KIT

Các bài tập do sinh viên tự lập trình : Sau khi đ! nắm rõ cấu hình của bộ KIT và sơ đồ bộ nhớ của các thành phần trên bộ KIT, sinh viên có thể tự lập trình các bài thí nghiệm trên bộ KIT theo ý định riêng của mình

+ Công cụ lập trình :

Bằng máy tính PC : Có thể sử dụng ngôn ngữ ASSEMBLY với trình biên dịch hợp ngữ sẵn có của nhà sản xuất (ASM51.exe) hoặc các công cụ phát triển ví dụ như phần mềm Keil, ProView32, 8051IDE hay 8051 Bascom… để lập các chương trình cho bộ KIT từ máy tính bằng ngôn ngữ C, Assembly hay BASIC, sau đó biên dịch thành file dạng Hexa hoặc Binary rồi nạp xuống cho bộ KIT thực hiện các chương trình đó

+ Công cụ phát triển cho bộ KIT :

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 28

Chương trình MONITOR : Chương trình Monitor điều hành hoạt

động của cả bộ KIT và cho phép lập trình từ máy tính Chương trình hỗ trợ chế độ gỡ rối bằng cách chạy từng dòng lệnh (STEP BY STEP) và quan sát câu lệnh vừa chạy (vd MOV A, #1) đồng thời cũng quan sát được giá trị của các thanh ghi đặc biệt SFR, các PORT, các ô nhớ RAM Ngoài ra chương trình Monitor của bộ KIT còn cho phép sửa

đổi nội dung của các thanh ghi đặc biệt hoặc nội dung các ô nhớ trong của chip vi điều khiển chính

Công cụ gỡ rối : Trên giao diện máy tính có thể sử dụng các phần mềm phát triển ví dụ phần mềm Keil, ASM51, Proview32 để gỡ rối cho việc lập trình (Các phần mềm có thể tìm thấy ở thư mục Programming tools trên CD đi kèm KIT)

Biªn so¹n : L©m t¨ng §øc – Lª TiÕn Dòng – Bé m«n T§H Trang 29

Ch−¬ng II Ch−¬ng II ThiÕt kÕ KIT vi ®iÒu khiÓn

ThiÕt kÕ KIT vi ®iÒu khiÓn

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 30

Chương II Chương II Thiết kế KIT vi điều khiển Thiết kế KIT vi điều khiển

của các trường trung học, cao đẳng và đại học trong cả nước, đây còn là một đối tượng

cụ thể cho sinh viên khi bắt đầu nhập môn vi điều khiển Vì vậy, việc chọn họ 8051 làm thành phần trung tâm của bộ KIT là phù hợp với chương trình đào tạo và điều kiện học tập của sinh viên

Vì những lí do trên, và xuất phát từ mục đích, yêu cầu của đồ án là thiết kế một

bộ KIT vi điều khiển phục vụ mục đích đào tạo môn học này, ta quyết định chọn phương án sử dụng chip vi điều khiển 89C52 của h3ng ATMEL để làm thành phần trung tâm của KIT, cùng với các thành phần bộ nhớ ROM, RAM bên ngoài và các thiết

bị ngoại vi phong phú

Chip vi điều khiển AT89C52 là một bộ vi điều khiển cũng thuộc họ 8051, do đó

nó có tất cả những đặc trưng cơ bản của họ này Ngoài ra nó còn có thêm 1 bộ định thời Timer 2 và 3 nguồn ngắt so với 8051

72.2 Xây dựng sơ đồ khối của KIT

Sau đây ta sẽ xây dựng sơ đồ khối của bộ KIT vi điều khiển như sau:

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 31

VàO/RA DIGITAL

ĐầU VàO XUNG MATRIXLED

8 x 8

stepper motor

Trong sơ đồ khối của bộ KIT như trên, chức năng của các khối như sau

- Khối CPU : Đây là khối trung tâm của hệ thống Nó bao gồm chip vi điều khiển AT89C52, EEPROM, RAM, các cổng giao tiếp mở rộng, mạch chốt, giải m3 địa chỉ Khối này làm nhiệm vụ trung tâm điều hành hoạt động của cả bộ KIT

- Khối PC : Đây là khối giao tiếp giữa hệ vi điều khiển của bộ KIT và máy tính PC giúp cho người sử dụng có thể phát triển các ứng dụng trên bộ KIT từ máy tính Người sử dụng dùng PC để nạp các chương trình ứng dụng cho bộ KIT Ngoài ra

PC còn cho phép người sử dụng nạp các chương trình điều hành của người sử dụng viết cho bộ KIT hoặc thay đổi chương trình điều hành hiện đang có trong bộ KIT Chương trình điều hành phải được nạp từ các mạch nạp ngoài và cố định trên KIT Chương trình ứng dụng của người sử dụng được nạp cho bộ KIT từ máy tính thông qua phần mềm nạp đi kèm theo KIT

Hình 2.1 - Sơ đồ khối của KIT

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 32

- Bàn phím: Đây là khối thiết bị đầu vào giao tiếp giữa vi điều khiển và người

sử dụng Bàn phím cho phép người sử dụng sử dụng nó để điều khiển hoạt động của KIT theo hướng dẫn trên màn hình LCD như:

Chạy chương trình từng bước (nút STEP) Xem, sửa đổi các thanh ghi (R0-R7), các thanh ghi đặc biệt (SFR), các PORT (P0,P1,P2, P3), các ô nhớ RAM

Chuyển đổi qua lại giữa các kiểu hiển thị dữ liệu như nhị phân, hexa hay thập phân

- Khối LCD: màn hình tinh thể lỏng với kích thước lớn 24x8 kí tự giúp ta có thể quan sát dễ dàng giá trị của các thanh ghi (R0-R7), các thanh ghi đặc biệt (SFR) các PORT (P0,P1,P2, P3), các ô nhớ trong RAM Ngoài ra trên màn hình còn có các hướng dẫn người sử dụng, chức năng của các phím tùy theo ngữ cảnh LCD tạo ra sự tiện lợi, thân thiện cho người sử dụng trong làm quen cũng như thí nghiệm trên KIT

- Khối A/D : Có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện áp tương tự 0 – 5V thành tín hiệu số 8 bit để đưa vào vi điều khiển xử lí Tín hiệu vào 0-5V có thể được đưa từ bên ngoài hoặc thông qua DIP-SWITCH (Dual Inline Pakage - SWITCH) để nối các tín hiệu tương tự có sẵn trên kit nhờ bộ chia áp là 3 biến trở vi chỉnh và đặc biệt là đầu ra của 1 bộ cảm biến nhiệt độ LM35, có thể tiến hành ở đây một bài thí nghiệm về đo nhiệt độ phòng

- Khối D/A : Là khối cho phép chuyển đổi tín hiệu số 8 bit thành tín hiệu tương

tự 0 – 10V đưa ra ngoài, có thể hiển thị được trên máy hiện sóng

- Khối vào/ra xung số - điều khiển động cơ bước và động cơ 1 chiều:

Là khối vào/ra tín hiệu số, cho phép bộ KIT nhận vào một tín hiệu số 8 bit, 4 tín hiệu vào dạng xung bằng các nút ấn, 4 tín hiệu vào dạng xung từ bên ngoài như các bộ encoder, ngoài ra còn có 6 đầu ra xung, có đệm tầng khuyếch đại để điều khiển động cơ bước và động cơ 1 chiều Ngoài ra người sử dụng có thể sử lựa chọn loại điện 5V

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 33

hoặc 12V tùy theo loại động cơ bằng công tắc thay đổi nguồn cấp cho động cơ trên mạch

- LED 7 thanh : Là khối hiển thị LED 7 thanh, có thể dùng để hiển thị các giá trị theo chương trình của người sử dụng

- Khối LED Matrix (8x8) : Là một ma trận đèn LED gồm 8 hàng x 8 cột, tại mỗi điểm của ma trận LED có 2 đèn với 2 màu xanh và đỏ, nếu điều khiển cho sáng cùng lúc cả 2 đèn thì ta sẽ được màu cam

2.3 Chọn thiết bị, giải mã và thiết kế mạch nguyên lý của hệ thống:

2.3.1 Chọn dung lượng bộ nhớ và thiết bị ngoại vi:

Ta chọn các thành phần của bộ nhớ trên KIT bao gồm:

- 5 chip 8255 mở rộng I/O để giao tiếp với các thiết bị sau:

LCD – 24x8 ký tự Bàn phím 5x4

8 LED đơn

4 LED 7 đoạn LED ma trận 2 màu 8x8 Các bộ chuyển đổi ADC, DAC Vào ra xung số, các tầng khuyếch đại đệm để điều khiển động cơ bước, động cơ 1 chiều

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 34

2.3.2 Giải mã địa chỉ:

Ta sắp xếp bộ nhớ và địa chỉ của các thiết bị ngoại vi giao tiếp với KIT trong bảng 2.1 như sau

8000h - PortA : Điều khiển LCD

8001h - PortB : Data bus của LCD

8002h - PortC : Nhận m3 của bàn phím

8003h - CW : Thanh ghi điều khiển

8004h - PortA: Điều khiển cấp nguồn cho các Anot

chung của LED matrix (các hàng)

8005h - PortB: Điều khiển đèn màu xanh của LED

8008h - PortA : Đường Data của ADC0809

8009h - PortB : Đường Data của DAC0808

800Ah - PortC : Điều khiển ADC0809

800Bh - CW : Thanh ghi điều khiển

800Ch - PortA : Đầu vào Digital

800Dh - PortB : Điều khiển động cơ bước(PB0-PB3)

và động cơ một chiều (PB4 - PB5)

800Eh - PortC : 4 đầu vào xung dạng nút ấn

(PC4-PC7), 4 đầu vào cho các thiết bị ngoài như encoder (PC0 - PC3)

800Fh - CW : Thanh ghi điều khiển

C000h - PortA : Hiển thị 8 LED đơn

C001h - PortB : Hiển thị 2 LED 7 thanh (trái)

C002h - PortC : Hiển thị 2 LED 7 thanh (phải)

C003h - CW : Thanh ghi điều khiển

C004h – C007h 8255-EX BUS mở rộng dự trữ, có thể gắn thêm 1 module khác Bảng 2.1 Sắp xếp bộ nhớ và cách phân địa chỉ cho các thiết bị ngoại vi của KIT

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 35

Dựa vào bảng 2.1 trên ta có sơ đồ bộ nhớ cụ thể nh− bảng 2.2 sau:

Address 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0000h 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

8255-EX

C007h 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 36

Nhìn vào các cột có màu xám trong bảng 2.2 trên ta có được cách phân công giải m3 như sau:

Ta sử dụng 3 chip giải m3 chuyên dụng là vi mạch 74HC138 để phục vụ việc giải m3 địa chỉ cho các chip nhớ cũng như các chip mở rộng I/O là 8255, đầu vào và ra của các chip giải m3 được trình bày trong bảng sau:

Đầu vào chọn chip CS (Chip Select) của các chip EEPROM, RAM, và 8255 như bảng sau:

8255(3) - Xung số, stepper, DC motor Y1(U10)

U9,U10,U11 xem sơ đồ nguyên lý

(*) Do yêu cầu thiết kế của bộ KIT, các chip nhớ RAM và EEPROM vừa phải có khả năng làm bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nên các chân OE (Output Enable) của các chip nhớ này có logic như sau /OE = /PSEN * /RD

Để rõ hơn ta tìm hiểu kỹ về chức năng của chân /PSEN và EA trong ứng dụng

mở rộng bộ nhớ ngoài của họ 8051 PSEN (Program Store Enable) có nghĩa là cho

Bảng 2.2 Bản đồ bộ nhớ và giải m3 địa chỉ của KIT

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 37

phép cất chương trình Đây là tín hiệu ra và được nối với chân OE của bộ nhớ chương trình ngoài Khi chân EA được nối đất thì 8031/51 nạp mM lệnh từ bộ nhớ ngoài thông qua chân PSEN, ở đây bộ nhớ ngoài đóng vai trò là bộ nhớ chương trình Ngoài ra khi

bộ nhớ ngoài làm chức năng là bộ nhớ dữ liệu thì tín hiệu RD được sử dụng để truy cập không gian dữ liệu ngoài (dùng lệnh MOVX), nên RD được nối đến OE của chip nhớ Trong thiết kế phần mềm của KIT đòi hỏi cả 2 chức năng này của bộ nhớ, vừa là

bộ nhớ chương trình, vừa là bộ nhớ dữ liệu do đó các chân OE của các chip nhớ phải

có mức logic như trên /OE = /PSEN * /RD

2.3.3 Giới thiệu về chức năng của các thiết bị được sử dụng trên KIT:

T2-EX STEP

A2 GND

TXD IN

RXD OUT

CR1 104 VCC

GND

U8 MAX232/SO

C1+

1 C1- 3 C2+

4 C2- 5

VCC 16

GND 15 V+

2 V- 6

R1OUT12R2OUT 9 T1IN 11 T2IN 10 R1IN 13 R2IN 8 T1OUT14T2OUT 7

RXD TXD IN

/WR

U2 AT28C64 A0 10 A1 9 A2 8 A3 7 A4 6 A5 5 A6 4 A7 3 A8 25 A9 24 A10 21 A11 23 A12 2

D0 11D1 12 D2 13D3 15D4 16 D5 17D6 18D7 191 A14

VCC 28

CE 20 OE 22 WE 27 26 A13 U5A 7408

1 3

7

CHệễNG TRèNH NGệễỉI SệÛ DUẽNG

U9 74HC138 A 1 B 2 C 3

G1 6 G2A 4 G2B 5

GND 8

U10 74HC138 A 1 B 2 C 3

G1 6 G2A 4 G2B 5

GND 8

A13

U4 74HC573 D0 2D1 3 D2 4D3 5D4 6 D5 7D6 8D7 9

LE 11

OE1

Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12

GND 10

VCC 20

/CS_8255_7SEG_EX

J10

1 4

U3 62256 A010A1 9 A28A3 7 A46A55A6 4 A73A825A924A1021A11 23 A122A13 26 A141VSS14

VCC 28 D0 11 D1 12 D2 13 D3 15 D4 16 D5 17 D6 18 D7 19

CS 20 WR 27 OE 22

ALE

U7B

7432 4 6

7

VCC

CR9 104

D0 D4

U11A

7432 1 3

D0 D6 D1 D4

VCC

A0

MONITOR

A3 VCC

D0

GND

A5

D2 D5 D1 D4

A7

CR4 104

VCC

A9

/CS_8255_LCD_KEY PAD

A12 A15

A1 A6 A2 A7 A10 A5

A12 A9

VCC

A11

A0 A5 A9

A1 A4 A8 A10 A13 A7 A11

A3 A14

A4 A15

RST

D1 D6

VCC

D3 D0

D7 D4

ADRRESS: 4000H-7FFFH

GND

VCC

VCC VCC

VCC

CR5 104

GND

/PSEN

SW7.1

SWITCH 2 1

/INT1 TXD

U12 74HC138 A 1 B 2 C 3

G1 6 G2A 4 G2B 5

GND 8

18 XTAL1 19 PSEN 29 ALE/PROG30EA/VPP 31

P1.0/T2 1 P1.1/T2-EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8

P2.0/A821P2.1/A9 22 P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A12 25 P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528P3.0/RXD 10 P3.1/TXD11P3.2/INT0 12 P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T1 15 P3.6/WR16P3.7/RD 17

P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32

VCC40

C PU

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 38

Đây là phần điều khiển trung tâm của bộ KIT, là bộ phận quan trọng nhất Khối CPU gồm có chip vi điều khiển chính AT89C52, EEPROM, RAM, mạch chốt, giải m3

địa chỉ Sơ đồ nguyên lý của khối CPU như hình 2.3

Các linh kiện chính có trong khối :

Vi điều khiển AT89C52

Với thực tế thị trường của Đà Nẵng, và cả khu vực Miền Trung - Tây Nguyên nói chung ta chọn AT89C52 là chip dễ dàng mua được, bộ nhớ 8Kbyte vừa đủ cho chương trình MONITOR điều hành KIT

- AT89C52 có 8K Flash ROM làm bộ nhớ chương trình, 256 byte RAM, 32

đường xuất nhập, 3 bộ định thời, một cấu trúc ngắt 2 mức ưu tiên và 8 nguồn ngắt, một port nối tiếp song công (full duplex)

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 39

- Timer T2 của 89C52 có thể làm việc nh− Timer T0, T1 trong chế độ Reload ngay cả ở lúc làm Timer 16 bit

để tiết kiệm điện năng của hệ

thống tuy nhiên vẫn duy trì nội

dung RAM nh−ng không cho

mạch dao động cấp xung clock

nhằm vô hiệu hóa các hoạt động

khác cho chip cho đến khi có

reset cứng tiếp theo Chế độ Idle hay còn gọi là chế độ nghỉ dừng CPU trong khi vẫn cho phép RAM, các bộ định thời/ đếm, port nối tiếp và hệ thống ngắt tiếp tục hoạt

19 18 17 16 15 14 13 12

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 LE OE

Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7

Hình 2.5 - Sơ đồ chân của 74HC573 Hình 2.4 - Sơ đồ chân của AT89C52

Biên soạn : Lâm tăng Đức – Lê Tiến Dũng – Bộ môn TĐH Trang 40

- Phạm vi điện áp hoạt động : 2 – 6 V

- Dòng điện đầu vào : lớn nhất 1 A

Hoạt động : Khi chân /LE ở mức cao, đầu ra Q phụ thuộc vào đầu vào D Khi chân /LE ở mức thấp, tín hiệu đầu vào D đ−ợc giữ lại ở đầu ra cho đến khi nào chân /LE trở lại mức cao Khi chân /OE ở mức cao, tất cả các đầu ra Q đều ở mức cao

Mạch giải mM địa chỉ 74HC138

Đây là vi mạch đ−ợc chế tạo theo công nghệ CMOS Vi mạch này đ−ợc dùng để giải m3 địa chỉ khi hệ thống có nhiều linh kiện cần định địa chỉ ghép nối Nó là một trong những vi mạch phổ biến nhất trong các mạch vi điều khiển Các chân đầu ra đảo

Yk phụ thuộc vào các chân tín hiệu đầu vào A, B, C Tuy nhiên các tín hiệu địa chỉ chỉ

đ−ợc giải m3 khi chân G1(E3) ở mức High, còn các chân /G2A(/E1), /G2B(/E2) ở mức Low

U6

74HC138

15 14 13 12 11 10 9 7

1 2 3 5 4 6

G2B G2A G1

Hình 2.6 - Sơ đồ chân của 74HC138