Nghiên cứu công nghệ vi xử lý ic 8051 chế tạo các dụng cụ đo trong các thí nghiệm vật lí đại cương

Một trong các xu hướng phát triển của thế hệ này trong thời gian qua là phương hướng chế tạo các thiết bị số DIGITAL, các vi mạch được sử dụng là các cổng logic.. Đối với loại thiết bị n

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa Vật lý đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia nghiên cứu một đề tài khoa học Trong thời gian thực hiện đề tài " Nghiên cứu công nghệ vi xử lý IC 8051 chế tạo các dụng cụ đo trong các thí nghiệm vật lý đại cương " tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ và hướng dẫn của các Thầy giáo, Cô giáo Tôi bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Thầy giáo TS GVC Võ Thanh Cương - Người đã hướng dẫn tận tình giúp đỡ tôi và cung cấp nhiều tài liệu để tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo ThS Nguyễn Văn Phú đã cho tôi nhiều ý kiến quý báu và bổ ích cho luận văn Tôi xin cảm ơn sự đóng góp ý kiến bổ sung của các Thầy, Cô trong khoa Vật lý và trong Hội đồng bảo

vệ luận văn tốt nghiệp Khoa Vật lý để đề tài được hoàn thành

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, đề tài đã thu được một số kết quả nhất định về kiến thức cũng như phương pháp nghiên cứu khoa học Tuy nhiên đây là lần đầu tiên tác giả luận văn tham gia nghiên cứu một mảng đề tài khoa học mới, do đó đề tài chắc vẫn còn một số khiếm khuyết Tác giả rất mong sự đóng góp ý kiến của các Thầy Cô giáo cũng như bạn đồng nghiệp tham dự trong buổi bảo vệ luận văn Tốt nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn

Sinh viên: Nguyễn Đăng Quang

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong các thí nghiệm vật lý đại cương đồng hồ bấm giây là một thiết bị không thể thiếu được Các đồng hồ bấm giây được sử dụng hiện nay chủ yếu là các đồng hồ cơ học của Liên xô cũ hoặc cuả Đức, do đó có một số nhược điểm như sau: Sai số lớn Các sai số ở đây cần kể đến các sai số khách quan và sai số chủ quan

 Sai số khách quan là các sai số do thiết bị cụ thể là do độ rơ, độ bôi trơn của các bánh xe vv các sai số này ngày càng tăng khi tần suất sử dụng tăng Các loại thiết bị dễ bị hỏng và khó sửa chữa

 Sai số chủ quan Sai số này là do con người sử dụng thiết bị: do cách quan sát và cách đọc các vạch chia độ, do phản xạ khi bấm giây

 Không thể kết nối các sensor hoặc máy tính Đây là một trong các yêu cầu cần thiết trong hướng phát triển khoa học công nghệ giáo dục ngày nay

Để khắc phục những nhược điểm đó, hiện nay người ta có xu hướng thay thế các đồng hồ bấm giây cơ học bằng các đồng hồ hiện số điện tử Các đồng

hồ này được tạo tần số bởi các quatz hoặc thạch anh (Xtal) nên rất chính xác và

đo được những khoảng thời gian rất nhỏ (10-6 s) Một trong các xu hướng phát triển của thế hệ này trong thời gian qua là phương hướng chế tạo các thiết bị số (DIGITAL), các vi mạch được sử dụng là các cổng logic Mặc dù có nhiều ưu điểm hơn thế hệ bán dẫn rời nhưng cũng có nhiều nhược điểm như: mạch cồng kềnh (với công nghệ ngày nay trên 1 cm2

có thể có đến 10.000 cổng), khó sửa chữa vì đã bị cứng hoá và khó kết nối trực tiếp được máy tính Để có thể kết nối trực tiếp với máy tính các tín hiệu vào hoặc ra phải thể hiện dưới dạng các file BIN (nhị phân) hoặc file HEX (thập lục phân) Do đó xu hướng hiện nay

người ta sử dụng các IC vi xử lí (còn gọi là các CHIP) để chế tạo Đối với loại

thiết bị này, công nghệ chế tạo như sau:

 Các CHIP được hoạt động như một máy tính nhỏ có thể lập trình được

và có các bộ nhớ đọc được (ROM), bộ nhớ đọc ghi được (RAM) có các lệnh ngầm định, các vùng nhớ trên hoạt động như một đĩa cứng (HARD DISK), có nhiều cổng vào ra (PORTS) song song (R232) nối tiếp (SERIAL PORTS hoặc USB) Các thanh ghi có thể ghi nhiều lần (trên 1000 lần) thuận tiện cho việc sửa chữa và dao động chủ nhờ thạch anh có thể đạt tới 24 MHz, suy ra tốc độ truyền

dữ liệu cho phép đạt đến 10 MB trên giây

 Thiết bị chế tạo được mềm hoá, trên một thiết bị có thể có thể sử dụng rất nhiều chức năng khác nhau Ví dụ như: trên mạch của đồng hồ hiện số ta có thể lập trình để thiết bị có thể thành: hoặc máy phát tần số hoặc máy đếm tần số, máy đo phóng xạ vv mà không cần thay đổi sơ đồ mạch Khi hư hỏng chỉ việc nạp lại chương trình rất thuận tiện

Để nâng cao chất lượng đào tạo thực hành thì việc nâng cao chất lượng các bài thí nghiệm vật lý là không thể thiếu được Điều đó được thực hiện nhờ hiện đại hoá các thiết bị đo các đại lượng vật lý

Để khắc phục những nhược điểm của các dụng cụ đo cùng với tầm quan trọng của nó chính là lý do mà tôi chọn đề tài này Đây là một đề tài rất mới, rất

lý thú và bổ ích

Trong luận văn này tác giả nghiên cứu hai phương pháp: Phương pháp chế tạo đồng hồ hiện số bằng các cổng logic cơ bản (kỹ thuật số) và phương pháp mô tả phần cứng (lập trình CHIP) Sau đó làm quen với phần mềm này tự lập trình một chương trình đơn giản chế tạo một đồng hồ đếm giây Sau cùng là nghiên cứu phần mềm của TS Võ Thanh Cương về sản phẩm hoàn chỉnh của thiết bị

Do đó luận văn được chia làm 4 phần:

Phần mở đầu

Chương I BỘ ĐẾM BẰNG CÁC MẠCH LÔGIC CƠ BẢN

Trong chương này tác giả luận văn đã tổng quan các mạch đếm xung cơ bản bằng các cổng logic Từ đó đưa ra các các giải pháp chế tạo mạch đếm

với CHIP ATM 52 là một IC vi xử lí họ 8051 do hãng Intel sản xuất

Phần kết luận

Phần phụ lục là một số phần mềm có thể chạy trên mạch điện trên do Thầy giáo TS GVC Võ Thanh Cương lập trình

Sơ đồ khối của bộ đếm được mô tả như hình vẽ dưới

Bộ đếm

Hệ số đếm N

   

1 2 n Các đầu ra trạng thái

1.1.2 Phân loại bộ đếm

Trong kỹ thuật điện tử số người ta có thể dùng rất nhiều cách để phân loại

bộ đếm Dưới đây sẽ giới thiệu một số cách phân loại thông dụng

1.1.2.1 Phân loại theo cách làm việc của bộ đếm

Dựa vào cách làm việc của bộ đếm ta có thể phân bộ đếm làm 2 loại:

Bộ đếm đồng bộ và bộ đếm dị bộ

Bộ đếm đồng bộ là bộ đếm mà trong nó các Triger (FF) đều chịu tác động điều khiển đồng thời của một xung đồng hồ duy nhất, đó là xung đếm đầu

vào (X) Các trạng thái trong của bộ đếm thay đổi cùng một lúc, và mọi sự

chuyển đổi trạng thái (từ Si đến Sj ) đều thông qua trạng thái trung gian

Bộ đếm không đồng bộ hay còn gọi là bộ đếm dị bộ, là bộ đếm mà trong

nó có FF chịu tác động trực tiếp của xung đếm đầu vào (X) nhưng cũng có FF chịu tác động điều khiển của xung đầu ra của FF khác Vậy sự chuyển đổi trạng thái của các FF là không cùng một lúc tức là không đồng bộ

1.1.2.2 Phân loại theo hệ số đếm N

Căn cứ vào sự khác biệt về hệ số đếm người ta phân bộ đếm thành các loại

1.1.2.3 Phân loại theo hướng đếm

Căn cứ vào tác động của xung đếm đầu vào mà hệ số đếm của bộ đếm có thể tăng hay giảm, từ đó người ta phân bộ đếm thành các loại:

Bộ đếm tiến

Bộ đếm lùi

Bộ đếm tiến lùi

Bộ đếm tiến ( hay còn gọi là bộ đếm thuận) là bộ đếm mà mỗi khi có tín

hiệu đếm X thì trạng thái trong của bộ đếm tăng lên 1

Bộ đếm lùi (hay còn gọi là bộ đếm nghịch) là bộ đếm mà mỗi khi có tín

hiệu đếm X thì trạng thái của bộ đếm giảm đi 1

Bộ đếm vừa có khả năng đếm tiến và đếm lùi gọi là bộ đếm tiến lùi (T/L) 1.1.2.4 Phân loại theo khả năng lập trình

Căn cứ vào khả năng lập trình của bộ đếm, người ta phân làm hai loại:

Bộ đếm có khả năng lập trình hoá

Bộ đếm không có khả năng lập trình hoá

Bộ đếm có khả năng lập trình hoá là bộ đếm có thể sử dụng hệ số đếm khác nhau tuỳ thuộc tín hiệu điều khiển đưa vào nó Do vậy bộ đếm này "mềm dẻo" và đa năng hơn các bộ đếm khác là những bộ đếm chỉ có một hệ số đếm nhất định

Ngược lại gọi là bộ đếm không có khả năng lập trình

1.1.3 Mã của bộ đếm

Quá trình đếm của bộ đếm, là một quá trình thay đổi từ trạng thái trong này đến trạng thái trong khác, và các trạng thái của bộ đếm được mã hoá bởi một mã cụ thể

Dưới đây sẽ dưới thiệu một số mã thường dùng để mã hoá bộ đếm

Mã BCD là mã nhị phân mã hoá số thập phân

Bảng (1.1) là mã BCD Mã này dùng 4 chữ số nhị

phân để mã hoá 1 chữ số thập phân, nhóm 4

chữ số nhị phân gọi là một Decard

Để mã hoá các số thập phân nhiều chữ

số người ta dùng các decard khác nhau

Khi có xung tác động vào bộ

đếm thì nó sẽ thay đổi trạng thái theo

từng nhịp xung và thiết lập cho ta

một bộ đếm nhị phân biểu diễn số

lượng xung tác động vào bộ đếm

Một bộ đếm tổng quát có thể đếm

được (n-1) xung còn xung thứ n thì

nó đưa bộ đếm trở về trạng thái ban

đầu (gọi là trạng thái nghỉ )và khi

này bộ đếm có dung lượng đếm là

n-1 hay bộ đếm mođun n

Ví dụ như: Triger đếm T là bộ đếm modun 2 và nó là cơ sở để tạo ra các

bộ đếm có modun bất kỳ Nếu ghép liên tiếp 4 Triger ta sẽ có một bộ đếm với modun đếm là 24=16 và dung lượng đếm là 15 xung Từ lí luận trên ta có bảng trạng thái đối với bộ đếm 4 bít ( bảng 1.2)

Từ bảng 1.2 ta thấy: Lối ra Q0 thay đổi trạng thái theo mỗi xung vào Nói

cụ thể hơn: Xung thứ nhất xác lập Q0 lên 1, xung thứ hai xoá Q0 về 0 và cứ như thế tiếp tục ở các xung sau

Ứng với 2 xung vào, đầu ra Q0 thiết lập được 1 xung, như vậy Q0 là phép nhân chu kỳ của xung vào lên 2 hay là phép chia tần số của xung vào đi 2

- Lối ra Q1 chỉ lật trạng thái từ 0  1 (hoặc ngược lại) khi Q0 chuyển từ

1 0 (tại sườn âm của xung ra Q0) Hiện tượng xảy ra tương tự đối với Q2 và

Q3 Nói một cách tổng quát: Trạng thái của Triger bất kỳ sẽ chuyển khi Triger cấp thấp hơn chuyển trạng thái từ giá trị 1 về giá trị 0

Rõ ràng, xung vào kích thích cho phần tử có lối ra Q0, Q0lại kích thích cho phần tử có lối ra là Q1 v.v Mỗi phần tử đếm lại có lật trạng thái tại sườn

âm của xung vào và chia hai tần số xung vào này Chức năng logic như thế hoàn toàn được thực hiện nhờ FF-MS như loại JK-MS hoặc D - MS Đương nhiên có thể sử dụng FF thông thường khác nhưng khi đó phải thực hiện các phép đấu sao cho đầu ra có mã không đổi

Bộ đếm thực hiện theo nguyên tắc này được gọi là bộ đếm nối tiếp hay bộ đếm không đồng bộ (dị bộ)

Trạng thái của Triger bất kỳ sẽ chuyển khi tất cả các Triger cấp thấp hơn

nó đã ở trạng thái giá trị 1 V dụ Q2 sẽ lật trạng thái khi Q1, Q0 đã đều ở mức 1 Nhận xét này là cơ sở để xây dựng bộ đếm song song hay bộ đếm đồng bộ

Đồ thị xung mô tả bảng trạng thái (bảng1.2) ở hình 1.1 Từ đồ thị dạng sóng một lần nữa thấy lại các nhận xét đã nêu ở trên Đồng thời đồ thị cũng làm sáng tỏ một điều là bộ đếm đồng thời là bộ chia tần Sự khác nhau giữa bộ đếm

và bộ chia tần là ở chỗ: Với bộ đếm kết quả được lấy ra trên tất cả đầu ra, còn đối với bộ chia tần chỉ lấy 1 ở đầu ra.Ví dụ ta lấy Q1 có kết quả chia 4, Q3 có kết quả chia 16

Cần chú ý rằng: Bộ chia tần chưa hẳn là bộ đếm Sau đây là hình 1.1

đi sâu xét một số bộ đếm nhị phân

1.2.2.1 Bộ đếm nhị phân nối tiếp

Như đã nói ở mục 1.1.2.3, phân tử đếm sẽ là các FF có khả năng chia tần

số xung vào ra 2 Bộ đếm nối tiếp được tạo ra bằng cách lấy xung ra của FF trước kích thích cho các FF sau Hình 1.2 là sơ đồ bộ đếm nhị phân 4 bít dùng FF-JK

Để đóng chức năng chia đôi tần số xung vào, 4 FF trong bộ đếm đều có

mức cao (H) là mức 1 trên các cực J, K

Hình 1.2 Đây là FF kích thích tại sườn âm, nên F1 làm nhiệm vụ chia đôi tần số xung nhịp đầu vào Sườn âm của xung nhịp thứ nhất lập Q0 từ 1 về 0 FF F2 lại tiếp tục chia đôi tần số xung ra trên Q0 của F1 Việc chia như thế được thực hiện

một cách nối tiếp lần lượt từ F1 cho đến F4 Điều này đã được trình bày ở phần nguyên tắc xây dựng bộ đếm

1.2.2.2 Bộ đếm nhị phân song song

Trong bộ đếm nhị phân song song hay còn gọi là bộ đếm đồng bộ được xây dựng theo nhận xét thứ hai từ bảng 1.2

Điểm khác cơ bản giữa bộ đếm song song và bộ đếm nối tiếp là: xung đếm được đưa vào trực tiếp đồng thời đến các lối vào đồng bộ của các FF Con đường tín hiệu phải đi bây giờ chỉ từ đầu vào tới đầu ra của mỗi phân tử Nhờ vậy mà bộ đếm nhị phân song song đã giảm được trễ truyền lan đi N lần, khắc phục được nhược điểm cơ bản của bộ đếm nối tiếp

Hình 1.3 là mạch điện của bộ đếm nhị phân 2 bít dùng FF-JK

Hình 1.3

Về thực chất nguyên tắc hoạt động của bộ đếm này cũng giống bộ đếm nối tiếp, đều tuân theo bảng trạng thái bảng 1.2 Các FF: F1 và F2 đều lật trạng thái khi thoả mãn 2 yếu tố: có xung vào trên cực C và có J = K = 1

Ở trạng thái đầu, các lối ra Q0, Q1 đều bị xoá về 0

Xung thứ nhất đều tác động lên F1 và F2, tuy nhiên F1 do có J1 = K1 = 1 nên Q0 lật từ 0 lên 1 Trong khi đó F2 có J2 = K2 = 0 (tại thời điểm tác động) nên lối ra Q1 của nó giữ nguyên trạng thái 0 ban đầu

Với xung nhịp thứ 2: Trigơ F1 chuyển Q0 từ 1 về 0 (Hai xung vào cho một xung ra) Trigơ F2 chuyển từ 0 lên 1 do J2 = K2 = Q0 = 1

Khi có xung nhịp thứ 3: Hiện tượng xảy ra giống như đối với xung nhịp thứ nhất nghĩa là Q0 từ 0 chuyển lên 1 còn Q1 giữ nguyên trạng thái trước đó Tác động của xung thứ 4 đồng thời xoá cả Q0 và Q1 về 0

Bảng 1.3 và hình 1.4 là bảng trạng thái và đồ thị thời gian về hoạt động của bộ đếm nhị phân đồng bộ hai bít

độ trễ nhất định làm tăng trễ truyền lan chung của cả mạch Hình 1.5 là sơ đồ bộ đếm nhị phân đồng bộ 4 bít được tổ chức theo cách vừa nói

số bít hạn chế Dung lượng cần thiết sẽ được thoả mãn bằng cách nối tiếp các bộ đếm đồng bộ lại với nhau Lối vào CE0 và lối ra CE1 là để phục vụ cho mục đích này

1.2.3 Bộ đếm modun bất kỳ M

Một mạch đếm trở về trạng thái đầu, hay một trạng thái xác định trước, sau M xung đếm gọi là bộ đếm modun bất kỳ, hay bộ đếm modun M

Các đặc tính chung của bộ đếm modun bất kỳ

Khi thiết kế các mạch đếm mod M ta cần lưu ý một số điểm sau:

Sau khi đã xác định M (tuỳ theo yêu cầu sử dụng) ta chọn một số N FF tối thiểu sao cho 2N

Loại mạch này biểu diễn trạng thái đếm dưới

dạng 4 bít với trọng số các bít thay đổi tuỳ theo mã

sử dụng Thông dụng nhất là loại mã BCD 8421

Mạch cần dùng 4 FF, nghĩa là ta có tất cả 16 trạng

thái khác nhau, tuy nhiên ta chỉ cần 10 trạng thái để

biểu diễn các số từ 0 đến 9 cho nên ta phải bỏ đi 6

trạng thái

Loại mạch đếm BCD cũng có thể được kích thích

đồng bộ hoặc không đồng bộ Vì vậy, Có thể tạo ra

nhiều dạng mạch khác nhau Dưới đây ta chỉ xét

một trường hợp tiêu biểu cho loại mã BCD 8421

Bảng 1.4 Mạch đếm BCD kích thước không đồng bộ

Bảng chân lý cho mạch đếm BCD 8421 nối tiếp như bảng B.1.4 Quan sát bảng chân lý ta thấy:

Sau lần kích thứ 10 mạch trở về trạng thái 0000 Còn trong khoảng từ

0 đến 9, các trạng thái có dạng số nhị phân

Q0 chuyển đổi trạng thái sau mỗi lần kích thích

Q1 chỉ chuyển đổi trạng thái khi Q0 từ 1 xuống 0 Trừ trường hợp cuối cùng khi Q3 =1

Q2 chuyển đổi trạng thái theo Q1 khi Q1 từ 1 xuống 0

Có thể coi Q3 chuyển đổi trạng thái theo Q0 khi Q0 từ 1 xuống 0 Nhưng Q3 kìm trong suốt thời gian từ 0 đến 7

Từ các nhận xét và lập luận như trên ta có thể tạo ra mạch đếm BCD

8421 không đồng bộ như hình 1.6a Đồ thị dạng sóng của bộ đếm mod 10 như hình 1.6b

Hình 1.6b

Trong sơ đồ trên F1 kích thích cả F2 và F4 Tuy nhiên, F4 có Q3 chỉ lên

1 khi Q1 = Q2=1 Ngược lại khi Q3 = 1 thì Q2, Q1 bị kìm ở trạng thái 0

1.2.5 Bộ đếm tiến, lùi, tiến lùi

Bộ đếm tiến, lùi hay còn gọi là bộ đếm thuận, nghịch đã được định nghĩa ở phần 1.2c trong mục này ta sẽ đi sâu xét cấu tạo của chúng Về phương diện mạch điện, bộ đếm tiến cũng đã được xét trong các ví dụ trước

do vậy ở đây ta chỉ xét bộ đếm lùi và bộ đếm tiến lùi

Hình 1.7

Hình 1.8 Trong hình 1.8 Q0 là trạng thái được kích thích tại mỗi sườn âm xung nhịp C Các FF còn lại do có cực C nối với Q của FF trước kề nó, tức là lật trạng thái ở sườn dương các đầu ra Q của FF trước liền kề nó Để có trạng thái đầu là 1111, trong mạch điện

bộ đếm còn có lối vào phụ PRE (lập 1)

Bộ đếm lùi cũng có thể được thiết lập bằng cách lấy Q của các phần tử đếm làm đầu

ra đếm như hình 1.9 Ở trạng thái đầu nếu Q0 = Q1 = Q2 = 0 thì Q0 = Q1 =Q2 = 1 Nếu tổ hợp Q2Q1Q0 tăng lên 1 thì tổ hợp Q2Q1Q0 giảm đi 1 tương ứng

Hình 1.9

1.2.5.2 Bộ đếm tiến lùi

Từ phương pháp thứ 2 tạo ra bộ đếm lùi như hình vẽ 1.9 ta thấy rằng trên cùng một bộ đếm có thể tạo ra bộ đếm tiến nếu đầu ra lấy ở Q và có thể tạo ra bộ đếm lùi nếu đầu ra đếm lấy ở Q Tức là về nguyên tắc ta có thể dùng phương pháp này để tạo ra bộ đếm vừa có tính năng đếm tiến vừa có tính năng đếm lùi Tuy nhiên, khi đó số lối ra sẽ tăng gấp đôi - Đây là một điều không mong muốn Trong thực tế kỹ thuật để giảm bớt số lối ra người ta lắp thêm một khoá điều khiển T/L để chuyển đổi kích thích cho bộ đếm Các đầu

ra vẫn cố định ở Q Một bộ đếm như thế gọi là bộ đếm tổng hợp hay bộ đếm tiến lùi (thuận/ngịch)

Hình 1.10 là sơ đồ bộ đếm tiến lùi đồng bộ 3 bít