Đồ án điều khiển led tranh trí

_ 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 trình lại,bằng cách ghi mức l

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Giảng viên hướng dẫn: Ths.TRƯƠNG NĂNG TOÀN

Sinh viên thực hiện:NGUYỄN THÀNH ĐẠT Mã số SV: 11218600

NGUYỄN HUỲNH NAM Mã số SV: 06045051

Lớp: ĐHĐT2B1

Khóa: 2006 – 2010

Hưng Yên, tháng 05 năm 2009

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, công nghệ điện

tử đã, đang và sẽ phát triển ngày càng rộng rãi đặc biệt là trong lập trình vi xử lý và kỹthuật số Mạch số được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hộinhư đồng hồ số, mạch đếm sản phẩm, mạch đo nhiệt độ…và tất nhiên là không thể thiếutrong công nghệ trang trí như các bảng quảng cáo điện tử, các loại đèn trang trí hiển thị2D, 3D Chính vì sự mới mẻ và độc đáo trong việc hiển thị 3D mà chúng em đã chọn đề

tài: “điều khiển led trang trí” hiển thị 3D để nghiên cứu.

Vì kiến thức và thời gian hạn chế, kinh nghiệm còn yếu nên đồ án không tránhđược sai sót, rất mong sự tận tình đánh giá của Quý Thầy Cô và góp ý của các bạn sinhviên

Người thực hiện

Đối với việc hiển thị hình ảnh 3D, chúng ta không chỉ được thấy trên máy vi tính,trong các chương trình đồ họa dành cho các nhà thiết kế hay trong các loai game trên thịtrường hiện nay, mà trong lĩnh vực điện tử cũng đã phần nào thể hiện được điều đó thôngqua những khối led, những mô hình chiếu sáng 3D…

Với suy nghĩ là ứng dụng các kiến thức đã học ở trường và tìm hiểu thêm ở bên ngoài,chúng em đã quyết định chọn đề tài “Điều khiển led trang trí”, cho chúng hiển thị cáchình ảnh 3D để tạo nên một nét mới mẻ trong việc sử dụng led

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

+ Thu thập tài liệu

+ Tham khảo ý kiến và thực hiện đồ án theo hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn+ Thiết kế và thi công mạch điều khiển 64 led tạo thành hình khối để hiển thị các hìnhảnh 3D

1 Nghiên cứu lý thuyết:

_ Nghiên cứu lý thuyết về chip vi điều khiển 89S52

_ Xây dựng mã hiển thị 3D

2 Thi công phần cứng:

_ Tạo khối 64 led hiển thị 3D

_ Thiết kế mạch điều khiển led dùng vi điều khiển 89S52

3 GIỚI HẠN THIẾT KẾ

Do việc điều khiển led hiển thị hình ảnh 3D còn nhiều mới mẻ, ít thông tin và kinhnghiệm chưa thực tế chưa nhiều nên chúng em chỉ thiết kế phần mạch kết hợp với led,hiển thị một số hình ảnh và hiệu ứng đơn giản, bỏ qua phần giao tiếp máy tính

4 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Tạo ra một khối led hiển thị hình ảnh 3D Sản phẩm có thể được ứng dụng vàothực tế trong việc giải trí, công nghệ quảng cáo…

CHƯƠNG 2

KHẢO SÁT CHIP VI ĐIỀU KHIỂN 89S52

Chip vi điều khiển 89S52 thuộc họ MCS-51 là họ vi điều khiển của hãng Intel Chip89S52 có một số đặc trưng cơ bản sau:

_ Bộ nhớ chương trình bên trong: 8 KB (ROM)

_ Bộ nhớ dữ liệu bên trong: 256 byte (RAM)

_ Bộ nhớ chương trình bên ngoài: 64 KB (RAM)

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

_ 4 port xuất nhập (I/O port) 8 bit

_ 3 bộ định thời 16 bit

_ 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

2 CÁC CHÂN CỦA CHIP 89S52

1 Sơ đồ khối và chức năng các khối của chip 89S52

Sơ đồ 2.1: Sơ đồ khối của chip 89S52_ OSC (Oscillator): Mạch dao động tạo tín hiệu xung clock cung cấp cho các khốitrong chip hoạt động.

_ Interrupt control: Điều khiển ngắt nhận tín hiệu ngắt từ bên ngoài (INT0\,INT1\)), từ bộ định thời (Timer 0, Timer 1) và từ cổng nối tiếp (Serial port), lần lượt đưacác tín hiệu ngắt này đến CPU để xử lý

_ Other registers: Các thanh ghi khác lưu trữ dữ liệu của các port xuất/nhập, trạngthái làm việc của các khối trong chip trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống

_ RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ dữ liệu trong chip lưu trữ các dữ liệu._ ROM (Read Only Memory): Bộ nhớ chương trình trong chip lưu trữ chươngtrình hoạt động của chip

_ I/O port (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

2 Sơ đồ chân và chức năng các chân của chip 89S52

Sơ đồ 2.2: Sơ đồ chân của chip 89S52

1 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

o Lưu ý: Khi Port 0 đóng vai trò là port xuất nhập dữ liệu thì phải sử dụng

các điện trở kéo lên bên 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 trình lại,bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port trước khi bắt đầu nhập dữliệu từ port

_ Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 0 đóng vai trò là ngõ vào của dữ liệu(D0 – D7)

_ Ở chế độ mặc định (khi reset) thì các chân Port (P1.0 – P1.7) được cấu hình là portxuất dữ liệu Muốn các chân Port 1 làm port nhập dữ liệu thì cần phải lập trình lại, bằngcách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port trước khi bắt đầu nhập dữ liệu

_ 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 nhâp dữ liêu thì cần phải lập trình lại,bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port trước khi bắt đầu nhập dữliệu từ port

_ Khi lập trình ROM trong chip thì Port 2 đóng vai trò là ngõ vào của địa chỉ bytecao (A8 – A11) và các tín hiệu điều khiển

4 Port 3

_ Port 3 (P3.0 – P3.7) có số chân tù 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 trình lại,bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port trước khi bắt đầu nhập dữliệu 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 các chân Port 3:

Bảng 2.1: Chức năng 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 PSEN\ thường được nối vớichân OE\ của ROM ngoài để cho phép CPU đọc mã lệnh từ ROM ngoài

 Là tín hiệu xuất tích cực mức cao

ALE = 0 trong thời gian bus AD0 – AD7 đóng vai trò là ngõ vào của xung lậptrình (PGM\)

 Lưu ý: có thể làm xung clock cho các mạch khác.

(MHz): tần số xung tại chân ALE

(MHz): tần số dao động trên chip (tần số thạch anh)

_ Khi lệnh lấy từ dữ liệu từ RAM ngoài (MOVX) được thực hiện thì một xung ALE

EA\ = 0 chip 89S52 sử dụng chương trình của ROM ngoài

EA\ = 1 chip 89S52 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 áplập trình ( = 12V – 12,5V cho họ 89xx; 21V cho họ 80xx, 87xx)

 Lưu ý: Chân EA\ phải được nối lên (nếu sử dụng chương trình của ROMtrong) hoặc nối xuống GND (nếu sử dụng chương trình của ROM ngoài), không baogiờ được phép bỏ trống chân này

8 Chân XTAL1, XTAL2

_ XTAL (Crystal): tinh thể thạch anh, chân số 18 – 19.

_ Chức năng:

 Dùng để nối với thạch anh hoặc mạch dao động tạo xung clock bên ngoài,cung cấp tín hiệu xung clock cho chip hoạt động.

 XTAL1 ngõ vào mạch tạo xung clock trong chip

 XTAL2 ngõ ra mạch tạo xung clock trong chip

RST = 0 Chip 89S52 hoạt động bình thường

RST = 1 Chip 89S52 được thiết lặp trạng thái ban đầu

_ , GND: nguồn cấp điện, chân số 40 và 20.

_ Chức năng:

 Cung cấp nguồn điện cho chip 89S52 hoạt động

 = +5V 10% và GND = 0V

3 CẤU TRÚC CÁC PORT XUẤT NHẬP CHIP 89S52

Khả năng fanout ( số lượng tải đầu ra) của từng chân port chip 89S52 là:

Hình 2.1: Cấu trúc bên trong của các port xuất nhập

 Ở chế độ mặc định (khi reset) thì tất cả các chân của các port (P0 – P3) đượccấu hình là port xuất dữ liệu

 Muốn các chân port của chip 89S52 làm port nhập dữ liệu thì ta cần phải đượclập trình lại, bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit (các chân)của port trước khi bắt đầu nhập dữ liệu từ port

 Các chân trong cùng một port không nhất thiết phải có cùng kiểu cấu hình(port xuất hoặc port nhập) Nghĩa là trong cùng một port có thể có chân dùng

để nhập dữ liệu, có thể có chân dùng để xuất dữ liệu Điều này là tùy thuộc vàonhu cầu và mục địch của người lập trình

Quá trình ghi chân port (xuất dữ liệu ra chân port).

Hình 2.2: Thao tác ghi chân portQuá trình đọc chân port (nhập dữ liệu từ chân port)

Hình 2.3: Thao tác đọc chân port

Quá trình đọc bộ chốt (kiểm tra dữ liệu tại chân port).

Hình 2.4: Thao tác đọc bộ chốt

 Lưu ý: Việc đọc dữ liệu của bất kỳ một port nào có thể cho ta hai giá trị khác nhau

tùy thuộc vào lệnh mà ta sử dụng để đọc dữ liệu từ port Xảy ra hiện tượng khôngmong muốn này là do quá trình đọc dữ liệu của chip 89S52 gồm hai quá trình khácnhau: quá trình đọc chân port và quá trình đọc bộ chốt

o Quá trình đọc chân port: Khi ta sử dụng các lệnh MOV, ADD,… Dữ liệunhận được sau khi thực hiện quá trình đọc là dữ liệu hiện tại ở các chânport

o Quá trình đọc bộ chốt: Khi ta sử dụng các lệnh ANL, Orl, XRL, CPL, INC,DEC, DJNZ, JBC, CLR bit, SETB bit, MOV bit Dữ liệu nhận được sau khithực hiện quá trình đọc là dữ liệu hiện tại ở các bộ chốt (là các dữ liệu đãđược ghi ra port tại thời điểm trước đó bởi quá trình ghi chân port), chứkhông phải là dữ liệu hiện tại ở các chân port Cho nên, nếu tại thời điểmthực hiện quá trình đọc mà dữ liệu tại các chân port có bị thay đổi đi chăngnữa thì dữ liệu đọc về cũng không được cập nhật

4 TỔ CHỨC BỘ NHỚ CỦA CHIP 89S52

_ Bộ vi xử lý có không gian bộ nhớ chung cho dữ liệu và chương trình

chương trình và dữ liệu nằm chung trên RAM trước khi đưa vào CPU để thựcthi.

_ Bộ vi điều khiển có không gian bộ nhớ riêng cho dữ liệu và chương trình

chương trình và dữ liệu nằm trên ROM và RAM trước khi đưa vào CPU đểthực thi

_ Tổ chức bộ nhớ của chip 89S52

Hình 2.5: Không gian bộ nhớ của chip 89S52

Hình 2.6: Bộ nhớ dữ liệu trên chip 89S52

1 Bộ nhớ trong

1 Bộ nhớ chương trình (ROM)

_ Dùng để lưu trữ chương trình điều khiển cho chip 89S52 hoạt động.

_ Chip 89S52 có 8 KB ROM trong, địa chỉ truy xuất: 000H – FFFH

2 Bộ nhớ dữ liệu (RAM)

_ Dùng để lưu trữ các dữ liệu và tham số.

_ Chip 89S52 có 256 byte RAM trong, địa chỉ truy xuất: 00H – 7FH

Hai đặc tính cần chú ý là:

 Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được định vị (xác định) trong bộ nhớ

và có thể truy xuất trực tiếp giống như các địa chỉ bộ nhớ khác

 Ngăn xếp bên trong Ram nội nhỏ hơn so với Ram ngoại như trong các bộMicrocontroller khác

_ RAM bên trong chip 89S52 được phân chia như sau:

 Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1FH

 RAM địa chỉ hóa từng bit có địa chỉ từ 20H đến 2FH

_ Mọi địa chỉ trong vùng RAM đa dụng đều có thể truy xuất tự do dùng kiểu địachỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

RAM có thể truy xuất từng bit:

_ 89S52 chứa 210 bit được địa chỉ hóa, trong đó có 128 bit có chứa các bytechứa các địa chỉ từ 20F đến 2FH và các bit còn lại chứa trong nhóm thanh ghi có chứcnăng đặc biệt

_ Ý tưởng truy xuất từng bit bằng phần mềm là các đặc tính mạnh củamicrocontroller xử lý chung Các bit có thể được đặt, xóa, AND, OR,…, với 1 lệnh đơn

Đa số các microcontroller xử lý đòi hỏi một chuỗi lệnh đọc – sửa – ghi để đạt được mụcđích tương tự Ngoài ra các port cũng có thể truy xuất được từng bit.

_ 128 bit mà truy xuất từng bit này cũng có thể truy xuất như các byte hoặc nhưcác bit phụ thuộc vào lệnh được dùng

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

Bảng số liệu dưới đây minh họa địa chỉ của các ô nhớ trong một dãy các ký hiệuthanh ghi R0 – R7 được gán cho từng ô nhớ trong dãy tích cực

Bảng 2.2: Địa chỉ của các thanh ghi (R0 - R7) tương ứng với dãy thanh ghi tích cực

 Lưu ý:

Ở chế độ mặc định thì dãy thanh ghi tích cực (đang được sử dụng) là dãy 0 và cácthanh ghi trong dãy lần lượt có tên là R0 – R7 Có thể thay đổi dãy tích cực bằngcách thay đổi các bit chọn dãy thanh ghi RS1 và RS0 trong thanh ghi PSW

Nếu chương trình của ta chỉ sử dụng dãy thanh ghi đầu tiên (dãy 0) thì ta có thể sửdụng vùng nhớ 08H – 1FH cho các mục đích khác của ta Nhưng nếu trongchương trình có sử dụng các dãy thanh ghi (dãy 1, 2 hoặc 3) thì phải rất cẩn thậnkhi sử dụng vùng nhớ tù 1FH trở xuống vì nếu sơ suất ta có thể ghi dữ liệu đèlên các thanh ghi R0 – R7 của ta

3 Thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR)

 Lưu ý:

Không được phép đọc hay ghi dữ liệu vào các địa chỉ SFR mà nó chưa được đăng

ký (nghĩa là các địa chỉ SFR chưa được đặt tên) Vì việc đọc hay ghi dữ liệu vàocác nơi này có thể làm phát sinh những hoạt động không mong muốn và đó cóthể là nguyên nhân làm cho chương trình của ta không tương thích với các phiênbản sau của chip MCS-51 (có thể ở các phiên bản đó các địa chỉ SFR này được

2 Bộ nhớ ngoài

_ Chip 89S52 cho ta khả năng mở rộng:

 Không gian bộ nhớ chương trình lên đến 64 KB

 Không gian bộ nhớ dữ liệu lên đến 64 KB

_ Khi sử dụng bộ nhớ ngoài:

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

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

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

Đa hợp (16 đường)Hình 2.7: Sự khác nhau giữa đa hợp và không đa hợp bus địa chỉ và bus dữ liệu nhằm làm giảm số lượng chân đưa ra ngoài chip giảm kích thước của chip.

1 Kết nối và truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài (Accessing External Code

Memory)

_ Bộ nhớ chương trình bên ngoài là bộ nhớ ROM được cho phép của tín hiệu

PSEN\ Sự kết nối phần cứng của bộ nhớ EPROM như sau:

Hình 2.8: Sự kết nối phần cứng của bộ nhớ EPROM

Hình 2.9: Giản đồ thời gian của chu kỳ tìm nạp lệnh ở bộ nhớ chương trình ngoài

2 Kết nối và truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài (Accessing External Data Memory)

_ Bộ nhớ dữ liệu ngoài là một bộ nhớ RAM được đọc hoặc ghi khi được cho phép

của tín hiệu RD\ và WR\ Hai tín hiệu này nằm ở chân P3.7 (RD) và P3.6 (WR) LệnhMOVX được dùng để truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài và dùng một bộ đệm dữ liệu 16 bit(DPTR), R0 hoặc R1 như là một thanh ghi địa chỉ

_ Các RAM có thể giao tiếp với 89S52 tương tự cách thức như EPROM ngoại trừchân RD\ của 89S52 nối với chân OE\ (Output Enable) của RAM và chân WR\ của98S52 nối với chân WE\ của RAM Sự nối các bus địa chỉ và dữ liệu tương tự như cáchnối của EPROM

Hình 2.10: Sự kết nối phần cứng của bộ nhớ RAM

Hình 2.11: Giản đồ thời gian của chu kỳ tìm nạp lệnh ở bộ nhớ dữ liệu ngoài

3 Giải mã địa chỉ:

Nếu trường hợp ROM và RAM được kết hợp từ nhiều bộ nhớ có dung lượng nhỏhoặc cả hai giao tiếp với chip 89S52 thì ta cần phải giải mã địa chỉ Việc giải mã nàycũng cần cho hầu hết các bộ vi xử lý

Ví dụ nếu các ROM và RAM có dung lượng 8 KB được sử dụng thì tầm địa chỉ màchip 89S52 quản lý (0000H – FFFFH) cần phải được giải mã thành từng đoạn 8 KB đểchip có thể chọn từng IC nhớ trên các giới hạn 8 KB tương ứng: IC1: 0000H – 1FFFH,IC2: 2000H – 3FFFH,…

IC chuyên dùng cho việc tạo tín hiệu giải mã là 74HC138, các ngõ ra của IC này lầnlượt được nối với các ngõ vào chọn chip CS\ tương ứng của các IC nhớ để cho phép các

IC nhớ hoạt động (tại một thời điểm chỉ có một IC nhớ được phép hoạt động) Cần lưu ý

là do các đường cho phép IC nhớ hoạt động riêng lẽ cho từng loại (PSEN\ cho bộ nhớchương trình, RD\ và WR\ cho bộ nhớ dữ liệu) nên 89S52 có thể quản lý không gian nhớlên đến 64 KB cho ROM và cho 64 KB cho RAM

4 Các không gian nhớ chương trình và dữ liệu gối nhau

Hình 2.12: Không gian nhớ chương trình và dữ liệu gối nhau

RAM 1: đóng vai trò là bộ nhớ dữ liệu.

RAM 2: đóng vai trò là bộ nhớ chương trình + bộ nhớ dữ liệu.CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH