kt ung dung vdk 1611

MÔN HỌC Ứng dụng Vi điều khiển (Microcontroller Applications) By Trần Văn Hùng Mechatronics Dept http://www.ntu.edu.vn/ Email: tvh42th@gmail.com Tài liệu tham khảo Microprofessors and microcpmputers hardware and softwware, Ronaid J.Tocci, Frank J.Ambrosio, Prentice Hall, 2003 Interfacing Sensors To The Pc, Willis J.Tompkin, Jonh G.webster, Prentice Hall, 1998 Vi xử lý, Văn Thế Minh, NXB Giáo Dục Họ vi điều khiển 8051, Tống Văn On Kỹ thuật Vi điều khiển AVR, Tống Văn On Nội dung chương trình n n n n n n Ch01: Các hệ đếm mã hoá Ch02: Hệ thống vi xử lý Ch03: Bộ nhớ Ch04: Họ vi điều khiển AVR Ch05: Ngơn ngữ lập trình CodevisionAVR Ch06: Input/Output Các toán 10 11 12 13 14 15 Thiết kế mạch điều khiển ánh sáng theo chương trình định trước Thiết kế mạch trang trí đèn LED Thiết kế mạch nhận dạng điểm phục vụ (thêm 2IC) Thiết kế mạch đo lượng mưa Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ khơng khí Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ dung dịch Thiết kế mạch đồng hồ điện tử Thiết kế mạch tính thời gian cho mơn điền kinh Thiết kế bảng quang báo Thiết kế mạch khoá điện tử Thiết kế mạch điều khiển thiết bị remote Kết nối bàn phím máy tính với VXL, hiển thị ký tự lên LCD Thiết kế mạch điều khiển Robot chạy theo qũy đạo (sd motor bước) Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động DC Thiết kế mạch điều khiển góc quay mơtơ, ổn tốc cho motor Chương 1: Các hệ đếm mã hoá n n n Các hệ đếm dùng máy tính Các phép toán số học hệ hai Mã ASCII 1.1 Các hệ đếm dùng máy tính 1.1.1 Hệ mười hệ hai n n Con người quen dùng hệ số mười (hệ mười) 1234,56 = 1.103 + 2.102 + 3.101 + 4.100 + 5.10-1 + 6.10-2 Máy tính làm việc với hệ số hai (hệ hai) 1011,01 = 1.23 + 0.22 + 1.21 + 1.20 + 0.2-1 + 1.2-2 MSB n Nibble gồm bit n Byte gồm bit n Word gồm 16 bit 15 LSB 0 1.1.1 Chuyển đổi hệ mười hệ hai n Đổi hệ hai sang hệ mười 1011,012 = 1.23 + 0.22 + 1.21 + 1.20 + 0.2-1 + 1.2-2 = 11,2510 n Đổi hệ mười sang hệ hai 4610 = 1011102 46 23 11 1 2 1 Hình Một cách đổi hệ mười sang hệ hai 1.1.1 Chuyển đổi hệ mười hệ hai (tiếp) n Đổi số thập phân hệ mười sang hệ hai 0,12510 = 0,0012 n 0,125 x = ,250 0,250 x = ,500 0,500 x = ,000 Số BCD (số hệ mười mã hoá hệ hai) Số BCD thích hợp cho thiế bị đo có hiển thị số đầu 123410 = 0001 0002 0003 0004BCD n Hệ mười sáu 123410 = 0100 1101 00102 = 4D216 1.2 Các phép toán số học hệ hai 1.2.1 Phép cộng ana(n-1) a2a1a0 + bmb(m-1) b2b1b0 = ckc(k-1) c2c1c0 (hệ số x) ci = (ai + bi + (ai-1 + bi-1)%x )/x Ví dụ cộng hệ hai 1101 1001 + 0001 1011 1111 0100 1.2.2 Phép trừ số bù hai a Phép trừ ana(n-1) a2a1a0 - bmb(m-1) b2b1b0 = ckc(k-1) c2c1c0 (hệ số x) ci = (ai – Bi-1) – bi (nếu (ai – Bi-1) >= bi Bi = 0) ci = (ai – Bi-1 + x) – bi (nếu (ai – Bi-1) < bi Bi = 1) Ví dụ trừ hệ hai 1101 1001 - 0001 1011 1011 1110 1.2.2 Phép trừ số bù hai (tiếp) b Số bù hai Ta thay phép trừ phép cộng: cộng số bị trừ với đối số số trừ Để tìm số bù hai số A ta làm theo bước sau: + Biểu diễn số A số hệ hai + Tìm số bù (bù logic) số (đảo bít) + Cộng vào số bù để nhận số bù hai A 1.2.3 Phép nhân Ví dụ nhân số hệ hai có độ dài bít a 0 1 b a.b 0 0 1 Bảng Quy tắc phép nhân 00 10 11 1 0 1 0 01 01 01 01 1.2.2 Phép chia b Chia trực tiếp Ví dụ: 35/5 = 00 01 00 00 10 11 10 1 01 01 10 01 11 b Chia gián tiếp Lấy số bị chia trừ số chia, kết số bị chia phép toán tiếp theo, lặp lại đến số bị chia nhỏ số chia Chương 2: Hệ thống vi xử lý n Ưu nhược điểm hệ nhúng n Vi xử lý, vi điều khiển n Các họ vi điều khiển n Ngắt xử lý ngắt 2.1 Tại lại sử dụng hệ nhúng? 2.1.1 Ưu điểm n n n n n n Khả thích nghi cao Tính linh động Khả thay đổi dễ dàng Khả tái sử dụng tài nguyên (thư viện,…) Giá thành rẻ 2.1.2 Nhược điểm n n n n Tốc độ phản ứng chậm Độ ổn định thấp Khơng xử lý gía trị liên tục 2.2 Vi điều khiển, vi xử lý Data bus CPU GeneralPurpose Microprocessor RAM ROM I/O PORT Timer, Wdg, ADC, DAC, … USB, UARST, I2C,… Address bus TERMINOLOGY n n n n Microcontroller vs Microprocessor vs Microcomputer A microprocessor is a central processing unit on a single chip A microprocessor combined with support circuitry , peripheral I/O components and memory (RAM & ROM) used to be called a “microcomputer.” A microprocessor where all the components mentioned above are combined on the same single chip that the microprocessor is on, is called a microcontroller 2.3 Kiến trúc vi điều khiển n Đơn vị sử lý số học (ALU) n Bộ nhớ n Input n Output n Đơn vị điều khiển 2.3.1 Đơn vị xử lý số học (ALU) Thực phép toán phép logic liệu n Dữ liệu lấy nhớ I/O n Kết đưa vào nhớ (kết lưu lại) n General Purpose Registrers ALU 2.3.2 Bộ nhớ Lưu trữ lệnh hay liệu n Có thể để lưu trữ liệu tạm thời n Có thể ghi/đọc điều khiển n Program Memory $000 Program Flash (4K x 16) Data Memory 32 Gen Purpose $0000 Working Resisters $001F $0020 64 I/O Resisters $005F $0060 Data Memory $000 EEPROM (512 x 8) $1FF Internal SRAM (512 x 8) $025F $FFF 2.3.3 Input n Thiết bị cho phép thông tin liệu vào bên vi điều khiển n Ví dụ: ADC, I2C, UART, … 2.3.4 Output n Thiết bị chuyển đổi thông tin liệu từ nhớ thiết bị ngoại vi n Thiết bị ngoại vi: LED, LCD, máy in, … 2.3.5 Đơn vị điều khiển n Cung cấp xung nhịp điều khiển tín hiệu n Tìm nạp lệnh liệu n Chuyển liệu tới/từ I/O n Giải mã lệnh n Thực phép tính số học/logic n Đáp ứng tín hiệu ngồi (Reset/Ngắt) 2.3.6 Một số họ vi điều khiển n Vi điều khiển 8051 n n Vi điều khiển AVR n n PIC bít, PIC 16 bít,… Vi điều khiển MCUs Philips n n AVR bít, AVR 16 bít,… Vi điều khiển PIC n n 8051, 89Cxx, 89Sxx, 89Dxx,… P8xCxx,… … 2.3.6 Các họ vi điều khiển (tiếp – so sánh) n Tốc độ xử lý (clock, clock cycle execution) n Khả tích hợp (ADC, DAC, UART, I2C,…) n Dải điện áp hoạt động (Operating Voltages) n Công suất đầu (DC current per I/O pin) n Khả chống nhiễu (Noise Reduction) n Tập lệnh (Instruction) n Công suất IC (Power consumption) n 2.4 Ngắt xử lý ngắt (Interrupt) 2.4.1 Khái niệm n Ngắt dừng thực chương trình (CTC) để thực chương trình phụ vụ ngắt(ctc) Main Prog ISRi n: IRQi n + 1: ISRj m: IRQj m + 1: iret iret 2.4.2 Cấu trúc ngắt n Xuất không báo trước n Phục vụ gần giống chương trình n Tích hợp nhiều loại ngắt n Có ưu tiên ngắt 2.4.3 Xử lý ngắt n Xuất cho phép ngắt n Hoàn thành lệnh n Lưu trữ địa lệnh vào ngăn xếp n Nạp địa ISR vào PC n Thực ISR n Kết thúc ISR lệnh RETI n Khôi phục địa lệnh ngăn xếp, chương trình tiếp tục thực 2.4.4 Phân loại ngắt n Ngắt mềm (software interrupt) Là việc gọi ctc (Subroutine) xây dựng riêng mà ctc cịn gọi thiết bị ngoại vi n Ngắt cứng (hardware interrupt) Do port phát tín hiệu đến CPU n Ngắt (internal interrupt) Trong số CPU để bẫy/xử lý kiện thực n Ngoại lệ (exceptions) Là vấn đề hay điều kiện để CPU dừng cơng việc thực hiện, tìm địa thực ctc, thiết kế để xử lý kiện Chương 3: Bộ nhớ n Bộ nhớ nhớ bán dẫ dẫn n Giả Giải mã đị địa chỉ cho bộ nhớ nhớ n Phố Phối ghé ghép bộ nhớ nhớ n Mở rộng bộ nhớ nhớ 3.1 Bộ Bộ nhớ nhớ bán dẫ dẫn Các nhó nhó m tí tín hiệ hiệu n ROM (read only memory) n RAM (random access memory) n Memory ROM PROM EPROM EEPROM Read Only Memory Programmable ROM RAM Radom Access Memory SRAM DRAM Static RAM Dynamic RAM Erasable PROM Electrically EPROM CACHE L1, L2, L3 3.1.1 Cá Các nhó nhóm tí tín hiệ hiệu Address WR A0 A1 A2 D0 D1 D2 An Dm Data WE CS Select IC OE RD Hình Sơ đồ khối nhớ a Nhó Nhóm tí tín hiệ hiệu đị địa chỉ n Có tác dụ dụng chọ chọn mộ ô nhớ nhớ cụ thể thể n Số đườ đường đị địa chỉ quyế đị định có có tối đa nhớ nhớ Ví Ví dụ có m đườ đường đị địa chỉ thì tối đa 2m nhớ nhớ b Nhó Nhóm tí tín hiệ hiệu dữ liệ liệu n Thườ Thường là đầ đầu củ ROM và vào/ra đố đối vớ với RAM n Các mạ mạch nhớ nhớ thườ thường có có đầ đầu vào/ra là trạ trạng thá thái n Số đườ đường dây dữ liệ liệu quyế đị định độ độ dài từ từ nhớ nhớ ô nhớ nhớ c Nhó Nhóm tí tín hiệ hiệu chọ chọn vi mạ mạch Chọ Chọn vi mạ mạch sẽ trao đổ đổi dữ liệ liệu n Các tí tín hiệ hiệu nà thườ thường đượ nố nối vớ với đầ đầu củ bộ giả giải mã đị địa chỉ n Vi mạ mạch khơng đượ chọ chọn thì bus dữ liệ liệu củ nó bị treo (ở (ở trạ trạng thá thái trở trở kháng cao) n d Nhó Nhóm tí tín hiệ hiệu điề điều khiể khiển Cho phé phép dữ liệ liệu bus n Bus dữ liệ liệu bị bị treo nế khơng có có tín hiệ hiệu điề điều khiể khiển n Mạch thườ thường chỉ có tí tín hiệ hiệu điề điều khiể khiển đọ đọc/ghi n 3.1.2 ROM Bộ nhớ nhớ có nội dung ghi sẵ sẵn chỉ để để đọ đọc n Chỉ Chỉ nạp vào mộ lầ lần nhấ n Không bị bị thông tin mấ điệ điện n Address WR A0 A1 A2 D0 D1 D2 An Dm Data WE CS OE Select IC RD Hình Bộ nhớ ROM 3.1.3 ROM có thể lập trì trình đượ a PROM (Programmable ROM) n n n Thờ Thời gian truy cậ cập nhanh 120120-250ns Chỉ Chỉ nạp mộ lầ lần nhấ bằ cá đố đốt chá cháy cá cầ cầu chì chì Điệ Điện áp lậ lập trì trình khoả khoảng 1010-13V VCC A0 Address Bus Address decoder A1 A2 D2 D1 D0 b EPROM (erasable PROM) Thờ Thời gian truy cậ cập khoả khoảng 120 – 450 ns n Điệ Điện áp lậ lập trì trình khoả khoảng 1010-25V n Nó thể đượ xố xố tồ tồn bộ tia cự cực tí tím n Thờ Thời gian lậ lập trì trình cho mộ ô nhớ nhớ lâu (khoả (khoảng 50ms) n c EEPROM (electrically EPROM) n Xoá Xoá đơn vị vị nhớ nhớ điệ điện, không cầ cần tia cự cực tí tím n Thờ Thời gian lậ lập trì trình cho mộ nhớ nhớ khoả khoảng 5ms d Flash memory n Thời gian truy cập nhanh (khoảng 120ns) n Thời gian ghi nhanh 10µs n Xóa khối nhớ 3.1.4 RAM n n Bị liệu điện Thời gian truy cập nhanh (có loại 15ns) Address input Input buffers Decoder line to 64 line Register Register Register Register 62 Register 63 R/W CS Output buffers Hình Cấu tạo bên 64 x RAM 3.1.4 RAM (tiế tiếp) n n SRAM (static RAM) n Chế tạo đơn giản n Dễ dàng bảo trì n Thường sử dụng hệ thống có nhớ nhỏ DRAM (dynamic RAM) n Giá thành thấp n Đòi hỏi mạch phụ trợ n Phải làm tươi (refresh) thường xuyên n Thường sử dụng hệ thống có nhớ lớn ...Nội dung chương trình n n n n n n Ch01: Các hệ đếm mã hoá Ch02: Hệ thống vi xử lý Ch03: Bộ nhớ Ch04:... mạch đo lượng mưa Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ khơng khí Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ dung dịch Thiết kế mạch đồng hồ điện tử Thiết kế mạch tính thời gian cho mơn điền kinh Thiết kế... từ nhớ thiết bị ngoại vi n Thiết bị ngoại vi: LED, LCD, máy in, … 2.3.5 Đơn vị điều khiển n Cung cấp xung nhịp điều khiển tín hiệu n Tìm nạp lệnh liệu n Chuyển liệu tới/từ I/O n Giải mã lệnh n