Trong những thập niên cuối thế kỉ XX, từ sự ra đời của công nghệ bán dẫn, kĩ thuật điện tử đã có sự phát triển vượt bậc. Các thiết bị điện tử sau đó đã được tích hợp với mật độ cao và rất cao trong các diện tích nhỏ, nhờ vậy các thiết bị điện tử nhỏ hơn và nhiều chức năng hơn. Các thiết bị điện tử ngày càng nhiều chức năng trong khi giá thành ngày càng rẻ hơn, chính vì vậy điện tử có mặt khắp mọi nơi.Ngày nay, các bộ vi điều khiển có ứng dụng ngày càng rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội. Hầu hết các thiết bị kỹ thuật từ phức tạp đến đơn giản như thiết bị điều khiển tự động, thiết bị văn phòng cho đến các thiết bị trong gia đình đều có dùng các bộ vi điều khiển. Rất nhiều họ vi điều khiển của nhiều nhà chế tạo khác nhau lần lượt được đưa ra thị trường. Để tăng tính năng điều khiển, các bộ vi điều khiển đã không ngừng được cải tiến, nâng cấp, chỉnh sửa và tối ưu để phù hợp với công nghệ phát triển hiện nay. Đỉnh cao của việc sử dụng vi điều khiển là dùng trong người máy (Robot) và các thiết bị PLC để điều khiển logic chương trình hóa dây chuyền sản xuất tự động. Và một trong những họ vi điều khiển đang được ứng dụng rộng rãi ngày nay là họ vi điều khiển 8051.Họ vi điều khiển 8051 được ứng dụng trong thực tế rất phổ biến như ứng dụng để điều khiển động cơ, điều khiển LED, điều khiển đèn giao thông, làm bộ đếm sản phẩm, …trong nhiều ứng dụng đó nhóm sinh viên chúng em đã tham gia vào thực hiện đề tài “MẠCH TẠO SỐ NGẪU NHIÊN SỬ DỤNG 8051 HIỂN THỊ TRÊN LCD”. Trong quá trình thực hiện làm do chúng em chưa có kinh nghiệm nhiều nên còn thiếu sót mong thầy (cô) chỉ dạy chúng em thêm trong những lần tiếp theo để chúng em thực hiện đề tài thành công hơn.
Trang 1BAN CƠ YẾU CHÍNH PHỦ
Trang 2CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ 8051 4
1.1 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 4
1.1.1 Sơ lược về lịch sử 4
1.1.2 Cấu trúc vi điều khiển 8051 6
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ LCD 16X2 19
2.1 TỔNG QUAN VỀ LCD 19
2.1.1 Giới thiệu về LCD 19
2.1.2 Sơ đồ, chức năng, liên kết các chân của LCD 20
CHƯƠNG 3: THỰC HIỆN MÔ HÌNH ĐỒ ÁN 25
3.1 MẠCH NGUYÊN LÝ 25
3.2 MẠCH IN, 3D 25
3.3 CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH 25
Kết luận 26
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Trong những thập niên cuối thế kỉ XX, từ sự ra đời của công nghệ bán dẫn,
kĩ thuật điện tử đã có sự phát triển vượt bậc Các thiết bị điện tử sau đó đã đượctích hợp với mật độ cao và rất cao trong các diện tích nhỏ, nhờ vậy các thiết bị điện
tử nhỏ hơn và nhiều chức năng hơn Các thiết bị điện tử ngày càng nhiều chứcnăng trong khi giá thành ngày càng rẻ hơn, chính vì vậy điện tử có mặt khắp mọinơi
Ngày nay, các bộ vi điều khiển có ứng dụng ngày càng rộng rãi và thâmnhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội Hầu hết cácthiết bị kỹ thuật từ phức tạp đến đơn giản như thiết bị điều khiển tự động, thiết bịvăn phòng cho đến các thiết bị trong gia đình đều có dùng các bộ vi điều khiển.Rất nhiều họ vi điều khiển của nhiều nhà chế tạo khác nhau lần lượt được đưa rathị trường Để tăng tính năng điều khiển, các bộ vi điều khiển đã không ngừngđược cải tiến, nâng cấp, chỉnh sửa và tối ưu để phù hợp với công nghệ phát triểnhiện nay Đỉnh cao của việc sử dụng vi điều khiển là dùng trong người máy(Robot) và các thiết bị PLC để điều khiển logic chương trình hóa dây chuyền sảnxuất tự động Và một trong những họ vi điều khiển đang được ứng dụng rộng rãingày nay là họ vi điều khiển 8051
Họ vi điều khiển 8051 được ứng dụng trong thực tế rất phổ biến như ứngdụng để điều khiển động cơ, điều khiển LED, điều khiển đèn giao thông, làm bộđếm sản phẩm, …trong nhiều ứng dụng đó nhóm sinh viên chúng em đã tham giavào thực hiện đề tài “MẠCH TẠO SỐ NGẪU NHIÊN SỬ DỤNG 8051 HIỂN THỊ TRÊN LCD” Trong quá trình thực hiện làm do chúng em chưa có kinhnghiệm nhiều nên còn thiếu sót mong thầy (cô) chỉ dạy chúng em thêm trongnhững lần tiếp theo để chúng em thực hiện đề tài thành công hơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn!!!
NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỒ ÁN
Trang 4có khả năng thực hiện 46250 đến 92500 lệnh mỗi giây.
Bộ xử lý 8 bit: Ra đời năm 1972 có tên là Intel 8008 nó có tốc độ từ 200kHz đến
800kHz cao hơn phiên bản cũ
Vào năm 1981, Hãng Intel giới thiệu bộ vi điều khiển 8-bit được gọi là 8051 Viđiều khiển đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sảnxuất và bán bất kỳ dạng biến thế nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họ phải
để mã lại tương thích với 8051
Trang 5Hình 1.2 Vi điều khiển 8051
Bộ xử lý 64 bit: Ra đời từ năm 2004 với nhiều phiên bản trong đó có các phiên
bản như: P4 Prescott (2004), Premium D (2005), Premium Extreme Edition(2005), kiến trúc Core I (2006 đến nay), Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core 2 Extreme
là đỉnh cao của bộ vi xử lý năm 2007 có khả năng ép xung, QX9650
Hình 1.3 Chip Intel Core i Series 9 th Gen
Kể từ khi ra mắt năm 2006 dòng Core I này liên tục phát triển qua 8 thế hệ:Nehalem, Sandy Bridge, Ivy Bridge, Haswell, Broad Well, Skylake, Kabylake,Coffelake, Thế hệ mới nhất hiện nay là thế hệ thứ 10 Ice Lake
Ngày nay với những cái tên như Core i3, Core i5, Core i7, Core i9 ngày càng
thông dụng Càng phiên bản mới hơn thì những công nghệ, tốc độ, tích hợp caohơn
mạnh mẽ hơn
Các tính năng của vi điều khiển 8051:
- Bộ nhớ chương trình bên trong: 4 KB (ROM)
Trang 6- 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)
- 4 port xuất nhập (I/O port) 8-bit
- 2 bộ định thời 16-bit
- Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz
- Mạch giao tiếp nối tiếp
- Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng lẻ)
- 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit
- Nhân / Chia trong 4 µs
- 32 thanh ghi đa dụng 8-bit
- Thanh ghi PC và DP 16-bit
- UART, ADC, …
Có hai bộ vi điều khiển thành viên khác của họ 8051 là 8052 và 8031
8052: vi điều khiển 8052 chứa tất cả đặc tính của 8051 nhưng nó bổ sung thêm128byte RAM, 4Kb ROM và 1 bộ định thời nữa
8031: Không có sẵn ROM Để sử dụng, bạn phải tự thêm ROM cho 8031 Bêncạnh đó, nó chỉ có 2 port 8-bit thay vì 4 port như 8051
1.1.2 Cấu trúc vi điều khiển 8051
1.1.2.1 Sơ đồ khối và chức năng của khối vi điều khiển 8051
Trang 7Hình 1.4 Sơ đồ khối của vi điều khiển 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), lầnlượt đưa 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 hệthống
- 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 liệudưới 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 dưới dạng nối tiếpgiữa 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
Trang 8- Bus system: Hệ thống bus → liên kết các khối trong chip lại với nhau.
1.1.2.2 Sơ đồ chân và các chức năng của vi điều khiển 8051
Hình 1.5 Sơ đồ chân 8051
Port 0:
- Port 0 (P0.0 – P0.7) có số chân từ 32 – 39
- Port 0 có hai chức năng:
• Port xuất nhập dữ liệu (P0.0 - P0.7) → không sử dụng bộ nhớ ngoài
• Bus địa chỉ byte thấp và bus dữ liệu đa hợp (AD0 – AD7) → có sử dụng bộnhớ ngoài
- Ở chế độ mặc định (khi reset) thì các chân Port 0 (P0.0 - P0.7) được cấu hình làport xuất dữ liệu Muốn các chân Port 0 làm port nhập dữ liệu thì cần phải lập trìnhlại, bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port trước khi bắtđầu nhập dữ liệu từ port
- Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 0 đóng vai trò là ngõ vào của dữ liệu(D0 – D7)
Port 1:
- Port 1 (P1.0 – P1.7) có số chân từ 1 – 8
- Port 1 có một chức năng:
Trang 9• Port xuất nhập dữ liệu (P1.0 – P1.7) → sử dụng hoặc không sử dụng bộnhớ ngoài
- Ở chế độ mặc định (khi reset) thì các chân Port 1 (P1.0 – P1.7) được cấu hình làport xuất dữ liệu Muốn các chân Port 1 làm port nhập dữ liệu thì cần phải lập trìnhlại, bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port trước khi bắtđầu nhập dữ liệu từ port
- Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 1 đóng vai trò là ngõ vào của địa chỉbyte thấp (A0 – A7)
Port 2:
- Port 2 (P2.0 – P2.7) có số chân từ 21 – 28
- Port 2 có hai chức năng:
• Port xuất nhập dữ liệu (P2.0 – P2.7) → không sử dụng bộ nhớ ngoài
• Bus địa chỉ byte cao (A8 – A15) → có sử dụng bộ nhớ ngoài
- Ở chế độ mặc định (khi reset) thì các chân Port 2 (P2.0 – P2.7) được cấu hình làport xuất dữ liệu Muốn các chân Port 2 làm port nhập dữ liệu thì cần phải lập trìnhlại, bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port trước khi bắtđầu nhập dữ liệu từ port
- Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 2 đóng vai trò là ngõ vào của địa chỉbyte cao (A8 – A11) và các tín hiệu điều khiển
Port 3:
- Port 3 (P3.0 – P3.7) có số chân từ 10 – 17
- Port 3 có hai chức năng:
• Port xuất nhập dữ liệu (P3.0 – P3.7) → không sử dụng bộ nhớ ngoài hoặccác chức năng đặc biệt
• Các tín hiệu điều khiển → có sử dụng bộ nhớ ngoài hoặc các chức năngđặc biệt
- Ở chế độ mặc định (khi reset) thì các chân Port 3 (P3.0 – P3.7) được cấu hình làport xuất dữ liệu Muốn các chân Port 3 làm port nhập dữ liệu thì cần phải lập trìnhlại, bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port trước khi bắtđầu nhập dữ liệu từ port
- Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 3 đóng vai trò là ngõ vào của các tínhiệu
điều khiển
- Chức năng của các chân Port 3:
P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của port nối tiếp
Trang 10P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của port nối tiếp
Bảng 1.2 Chức năng của các chân Port 3
PSEN = 0 → trong thời gian CPU tìm - nạp lệnh từ ROM ngoài
PSEN = 1 → CPU sử dụng ROM trong (không sử dụng ROM ngoài)
- Khi sử dụng bộ nhớ chương trình bên ngoài, chân PSENthường được nối vớichân OE của ROM ngoài để cho phép CPU đọc mã lệnh từ ROM ngoài
Trang 11• Là tín hiệu cho phép truy xuất (sử dụng) bộ nhớ chương trình (ROM)ngoài.
• Là tín hiệu nhập, tích cực mức thấp
EA = 0 → Chip 8051 sử dụng chương trình của ROM ngoài
EA = 1 → Chip 8051 sử dụng chương trình của ROM trong
- Khi lập trình cho ROM trong chip thì chân EA đóng vai trò là ngõ vào của điện
• XTAL1 → ngõ vào mạch tạo xung clock trong chip
• XTAL2 → ngõ ra mạch tạo xung clock trong chip
RST = 0 → Chip 8051 hoạt động bình thường
RST = 1 → Chip 8051 được thiết lặp lại trạng thái ban đầu
và dữ liệu đều đặt 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 là64K
Trang 12- Bộ vi xử lý → có không gian bộ nhớ chung cho dữ liệu và chương trình
- Bộ vi điều khiển → có không gian bộ nhớ riêng cho dữ liệu và chương trình
→ chương trình và dữ liệu nằm riêng trên ROM và RAM trước khi đưa vào CPU
để thực thi
- Tổ chức bộ nhớ của chip 8051:
Hình 1.6 Không gian bộ nhớ của vi điều khiển 8051
Bộ nhớ nội trong chip bao gồm ROM và RAM RAM trên chip bao gồmvùng RAM đa chức năng (general purpose RAM: 30H-7FH ) , vùng RAM vớitừng bit được định địa chỉ (bit address locations gọi tắt là vùng RAM định địa chỉbit: 20H-2FH ) , các dãy thanh ghi ( bank : 00H-1FH) và các thanh ghi chức năngđặc biệt SFR (spectial function register : 80H-FFH )
→→ chương trình và dữ liệu nằm chung trên RAM trước khi đưa vào CPU để thực thi
Trang 138051 chứa 210 vị trí bit được định địa chỉ trong đó 128-bit chứa trong cácbyte ở địa chỉ từ 20H đến 2FH (16 byte x 8 bit = 128 bit) và phần còn lại chứatrong các thanh ghi đặc biệt Ngoài ra 8051 còn có các port xuất/nhập có thể địnhđịa chỉ từng bit, điều này làm đơn giản việc giao tiếp bằng phần mềm với các thiết
bị xuất/nhập đơn bit
Vùng RAM đa mục đích có 80 byte đặt ở địa chỉ từ 30H đến 7FH, bên dướivùng này từ địa chỉ 00H đến 2FH là vùng nhớ có thể được sử dụng tương tự Bất
kỳ vị trí nhớ nào trong vùng RAM đa mục đích đều có thể được truy xuất tự dobằng cách sử dụng các kiểu định địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp Bất kỳ vị trí nhớnào 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
Cũng như các thanh ghi từ R0 đến R7, ta có 21 thanh ghi chức năng đặc biệtSFR chiếm phần trên của Ram nội từ địa chỉ 80H đến FFH Cần lưu ý là khôngphải tất cả 128 địa chỉ từ 80H đến FFH đều được định nghĩa mà chỉ có 21 địa chỉđược định nghĩa
Hình 1.7 128 byte cao của bộ nhớ dữ liệu
Trang 14Các dãy thanh ghi:
32 vị trí thấp nhất của bộ nhớ nội chứa các dãy thanh ghi Các lệnh của 8051
hỗ trợ 8 thanh ghi từ R0 – R7 thuộc dãy 0 (bank 0) Đây là dãy mặc định sau khireset hệ thống Các thanh ghi này ở các địa chỉ từ 00H – 07H
Các lệnh sử dụng các thanh ghi từ R0 – R7 là các lệnh ngắn và thực hiện nhanhhơn so với các lệnh tương đương sử dụng kiểu định địa chỉ trực tiếp Các giá trịthường được sử dụng nên chứa ở một trong các thanh ghi này Dãy thanh ghi đangđược sử dụng được gọi là dãy thanh ghi tích cực Dãy thanh ghi tích cực có thểđược thay đổi bằng cách thay đổi các bit chọn dãy trong thanh ghi PSW
1.1.2.4 Các thanh ghi đặc biệt
8051 có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt SFR chiếm 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 định nghĩa Hình 4 mô tả các
thanh ghi đặc biệt trong vùng nhớ dữ liệu 80H đến FFH và giá trị của chúng saukhi Reset
Hình 1.9 Các thanh ghi đặc biệt
Trang 15Thanh ghi chính:
Thanh ghi tính toán chính của vi điều khiển 8051 ACC (Accumulator) Làthanh ghi đặc biệt của 8051 dùng để thực hiện các phép toán của CPU, thường kíhiệu là A
Thanh ghi phụ:
Thanh ghi tính toán phụ của vi điều khiển 8051 là B Thanh ghi B ở địa chỉF0H được dùng chung với thanh chứa A trong các phép toán nhân, chia LệnhMUL AB nhân 2 số 8-bit không dấu chứa trong A và B và chứa kết quả 16 bit vàocặp 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 bitđược định 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 (địa chỉ: D0H) là thanh ghi mô tả toàn bộ
trạng thái chương trình đang hoạt động của hệ thống Bảng 2 và Bảng 3 sẽ mô tả
thanh ghi này
Bảng 1.3 Thanh ghi trạng thái chương trình PSW
PSW.7 CY D7H Cờ nhớ (Carry Flag): được Set nếu có Bit
nhớ từ Bit 7 trong phép cộng hoặc có Bitmượn cho Bit 7 trong phép trừ
PSW.6 AC D6H Cờ nhớ phụ: được Set trong phép cộng
nếu có Bit nhớ từ Bit 3 sang Bit 4 hoặckết quả trong 4 Bit thấp nằm trongkhoảng 0AH->0FH
PSW.4 RS1 D4H Chọn dãy thanh ghi (Bit 1)
PSW.3 RS0 D3H Chọn dãy thanh ghi (Bit 0)
00=Bank 0: Địa chỉ 00H->07H01=Bank 1: Địa chỉ 08H->0FH10=Bank 2: Địa chỉ 10H->17H
Trang 1611=Bank 3: Địa chỉ 18H->1FH
PSW.2 OV D2H Cờ tràn (Overflow Flag): được Set khi
phép toán có dấu có kết quả > +127 hoặc
< -128
PSW.0 P D0H Cờ kiểm tra chẵn lẻ: được Set hoặc
Clear bởi phần cứng sau mỗi 1 chu kỳlệnh, để chỉ ra rằng có 1 số chẵn hoặc số
lẻ Bit 1 trong thanh chứa
Bảng 1.4 Chi tiết các bit trong thanh ghi PSW
Thanh ghi ngăn xếp (Stack Pointer):
Con trỏ stack SP (stack pointer) là 1 thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H SP chứađịa chỉ của dữ liệu hiện đang ở đỉnh của stack Các lệnh liên quan đến satck baogồm lệnh cất dữ liệu vào stack và lệnh lấy dữ liệu ra khỏi stack Việc cất vào stacklàm tăng SP trước khi ghi dữ liệu và việc lấy dữ liệu ra khỏi stack sẽ giảm SP.Vùng stack của 8051 được giữ trong RAM nội và được giới hạn đến các địa chỉtruy xuất được bởi kiểu định địa chỉ gián tiếp Các lệnh PUSH và POP sẽ cất dữliệu vào stack và lấy dữ liệu từ stack, 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 chươngtrình ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu ngoài DPTR là một thanh ghi 16 bit có địa chỉ là82H (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 địachỉ 90H, Port 2 tại địa chỉ A0H và Port 3 tại địa chỉ B0H Tất cả các port đều đượcđịnh địa 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
bộ đệm nhận dữ liệu Khi dữ liệu được chuyển vào thanh ghi SBUF, dữ liệu sẽđược chuyển vào bộ đệm truyền dữ liệu và sẽ được lưu giữ ở đó cho đến khi quátrình truyền dữ liệu qua truyền thông nối tiếp kết thúc Khi thực hiện việc chuyển