Điều khiển tự động xe robot

Chương I : TỔNG QUAN. I . GIỚI THIỆU: Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong ngành điện tử với những bước tiến vượt bậc về lónh vực vi xử lý và các vi mạch số đã thực sự mang lại những hiệu qủa chính xác và gọn nhẹ trong quá trình điều khiển, sản xuất. Do đó việc chế tạo robot để phục vụ cho con người trong lónh vực sản xuất đối với chúng ta không còn là vấn đề quá xa vời. Tập đồ án này trình bày những nghiên cứu và thiết kế một chiếc xe được điều khiển bởi chip vi điều khiển 8051 để có thể di chuyển trong các nhà xưởng, xí nghiệp và thực hiện một công việc nào đó thay cho con người. II . GIỚI HẠN ĐỀ TÀI : Với thời gian thực hiện đề tài, cũng như trình độ chuyên môn có hạn, em đã cố gắng hết sức để hoàn thành tập luận văn này, nhưng chỉ giải quyết được những vấn đề sau : - Xe di chuyển theo những lộ trình đònh trước bằng cách kẽ sẵn những đường vạch sáng dưới sàn có màu tối. - Xe hoạt động trong khoảng thời gian từ 0 đến 99 phút. - Tại mỗi điểm dừng xe chỉ bật đèn báo hiệu thay vì phải làm một công việc tương ứng. III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU : Mục đích trước hết khi thực hiện đề tài này là để hoàn tất chương trình môn học để đủ điều kiện ra trường . Cụ thể khi nghiên cứu thực hiện đề tài là chúng em muốn phát huy những thành quả ứng dụng của vi điều khiển nhằm tạo ra những sản phẩm, thiết bò tiên tiến và đạt hiệu quả cao trong sản xuất. Ngoài ra quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài là một cơ hội để chúng em tự kiểm tra lại những kiến thức đã được học ở trường, đồng thời phát huy tính sáng tạo, khả năng giải quyết một vấn đề theo yêu cầu đặt ra. Và đây cũng là dòp để chúng em tự khẳng đònh mình trước khi ra trường để tham gia vào các hoạt động sản xuất của xã hội. IV . KHÁI QUÁT VỀ ĐỀ TÀI: 3 1. Bàn phím và bộ phận hiển thò: Hình 1.1: Mô tả bàn phím và bộ phận hiển thò. Bộ phận hiển thò gồm hai led 7 đoạn, hiển thò tín hiệu stop/sẵn sàng nhận dữ liệu và thời gian mà xe phải vận hành trong suốt quá trình vận hành của nó. Bàn phím gồm có ba phím: phím 1 và 2 dùng để nhập thời gian vận hành của xe, thời gian được nhập bằng cách ấn phím 1 để nhập chữ số hàng chục, phím 2 để nhập chữ số hàng đơn vò, tương ứng với mỗi lần ấn phím 1 (hoặc 2) chữ số hàng chục (hoặc hàng đơn vò) sẽ tăng lên 1; phím Go/Stop được dùng để kích khởi xe hoạt động hoặc ngừng hoạt động của xe khi nó đang chuyển động. 2. Quá trình vận hành của xe: Xe sẽ di chuyển theo lộ trình đònh sẵn trong khoảng thời gian nhất đònh bằng cách dò những đường vạch trắng được kẻ sẵn trên sàn có màu tối nhờ bộ phận cảm biến đặt dưới xe, thời gian vận hành của xe được nhập vào từ bàn phím và được lưu vào một byte dữ liệu. Quá trình hoạt độâng của xe được mô tả như hình sau: 1 : Xe. 4 5 4 3 2 1 6 7 LED 1 LED 2 Go/Stop 1 2 2 : Bánh xe được kéo bởi motor 2. 3 : Bánh xe được kéo bởi motor 3. 4, 5 : Bộ phận cảm biến đặt dưới xe. 6 : Vạch màu trắng được kẻ sẵn dưới sàn có màu tối. 7 : Tín hiệu dừng xe trên đường di chuyển. Hình 1.2: Mô tả quá trình chuyển động của xe.  Nguyên lý hoạt động của xe: Sau khi thời gian vận hành (tính bằng phút) được nhập vào từ bàn phím, để kích khởi cho xe hoạt động ta ấn phím Go/Stop. Lúc này, bit trạng thái “Run” được thiết lập, 8051 sẽ đọc byte dữ liệu có chứa thời gian vận hành để biết thời gian hoạt động của xe, sau đó điều khiển hai motor kéo hai bánh xe (2) và (3) ở hai bên thành xe quay, xe sẽ di chuyển về phía trước. Đồng thời bộ phận cảm biến (4) và (5) ở dưới xe cũng hoạt động. Giả sử xe chạy lệch khỏi vạch trắng và bộ phận cảm biến (4) đang ở phía trên vạch trắng thì bộ phận cảm biến này sẽ gởi tín hiệu thông báo về cho chip 8051, để từ đó điều khiển cho motor kéo bánh xe (3) quay vói tốc độ nhanh hơn đồng thời giảm tốc độ quay của bánh xe (2) nhằm làm cho xe tiếp tục chuyển động đúng hướng dọc theo vạch trắng đã kẻ dưới sàn. Nhờ đặc tính này mà ta có thể cho xe chuyển động thẳng, quay phải hay trái tuỳ ý bằng cách kẻ lên sàn những đường vạch trắng theo lộ trình đònh trước. Đồng thời trong quá trình chuyển động của xe, bộ hiển thò led 7 đoạn sẽ hiển thò thời gian còn lại mà xe phải hoạt động theo từng phút cho đến khi hết thời gian thì hiển thò tín hiệu stop và sẵn sàng để nhận dữ liệu cho quá trình vân hành tiếp theo. Trong quá trình vận hành của xe, nếu gặp phải tín hiệu dừng trên đường đi, tín hiệu này là một vạch trắng được kẽ dưới sàn, thì xe sẽ dừng lại trong một khoảng thời gian đồng thời bật đèn báo hiệu, ứng với công việc mà xe phải làm tại mỗi điểm dừng, sau đó vượt qua tín hiệu dừng này và tiếp tục di chuyển như trên. Ngoài ra, nếu xe đang hoạt động mà ta ấn nút Go/Stop thì xe sẽ dừng lại và bộ hiển thò tín hiệu stop. 5 Trong quá trình thiết kế và thi công mạch có sử dụng một số vi mạch như: chip vi điều khiển 8051, 8255A, EPROM 2764, RAM 6264, 74LS138, MAX232 Các vi mạch này sẽ được khảo sát rõ trong các chương kế tiếp. 6 Chương II TỔNG QUAN VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51 I . CẤU TẠO VI ĐIỀU KHIỂN 8051: 1. Giới thiệu họ MSC-51: MCS-51 là họ vi điều khiển của hãng Intel. Các IC tiêu biểu cho họ MSC-51 là chip 8051, là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của hệ thống. Theo các lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó. Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51 hoàn toàn tương tự như nhau. Ở đây giới thiệu chip 8051 có các đặc trưng được tóm tắt như sau: - 4 kbyte ROM. - 128 byte RAM. - 4 port xuất nhập (I/0 port) 8-bit. - Hai bộ đònh thời 16 bit. - Mạch giao tiếp nối tiếp. - 64KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng - 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng - Một bộ xử lí bit (thao tác trên các bit đơn) - 210 vò trí nhớ được đònh đòa chỉ, mỗi vò trí 1 bit. - Nhân / chia trong 4µs. Cùng họ với 8051 có một số vi điều khiển khác. Về cơ bản chúng đều giống nhau, chúng chỉ khác nhau ở vùng nhớ nội bao gồm vùng nhớ mã lệnh, vùng nhớ dữ liệu và số bộ đònh thời. Sự khác nhau đó được mô tả bằng bảng sau đây: 7 Vi điều khiển Vùng mã lệnh nội Vùng dữ liệu nội Số bộ đònh thời 8051 8031 8751 8052 8032 8732 8752 4K ROM 0K 4K EPROM 8K ROM 0K 4K EPROM 8K EPROM 128 bytes 128 bytes 128 bytes 256 bytes 256 bytes 256 bytes 256 bytes 2 2 2 3 3 3 3 Bảng 2.1: So sánh các IC của họ Msc-51. 2. Cấu trúc bên trong và sơ đồ chân của 8051: a. Cấu trúc bên trong: Hình 2.1 : Sơ đồ khối của chip 8051. 8 TXD* RXD* T1* T0* P 0 P 1 P 2 P 3 EA ALE RST PSEN Các thanh ghi khác 128 byte RAM ROM 0K-8031/8032 4K-8051 8K-8052 Timer 1 Timer 0 Điều khiển ngắt Điều khiển bus CPU Port nối tiếp Các port I/O Mạch dao động INT1* INT0* TIMER 2 TIMER 1 TIMER 0 PORT nối tiếp Timer 2 8032/ 8052 128 bytes RAM 8032/ 8052 T2E X* T2* } Đòa chỉ/dữ liệu *Alternate pin assignmentsfor P1 and P3 b. Sơ đồ chân 8051: Hình 2.2 : Sơ đồ chân của 8051. c. Chức năng các chân của 8051: 8051 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập. Trong đó có 24 chân có tác dụng kép (có nghóa 1 chân có 2 chức năng), mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ liệu và bus đòa chỉ. 9 18 19 12MHz 40 29 30 31 9 17 16 15 14 13 12 11 10 RD\ WR\ T1 T0 INT1 INT0 TXD RXD A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 28 27 26 25 24 23 22 21 8 7 6 5 4 3 2 1 32 33 34 35 36 37 38 39 Po.7 Po.6 Po.5 Po.4 Po.3 Po.2 Po.1 Po.0 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 PSEN ALE EA RST 20 Vss 30p 30p Vcc XTAL1 XTAL2 8051 • Port 0: Port 0 là port có 2 chức năng ở các chân từ 32 đến 39 trên 8051. Trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường I/O. Đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó trở thành bus đòa chỉ và bus dữ liệu đa hợp (byte thấp của bus đòa chỉ nếu là đòa chỉ). • Port 1: Port 1 là port I/O trên các chân từ 1 đến 8 trên 8051. Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2, P1.7 có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bò ngoài nếu cần. Port 1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bò bên ngoài. • Port 2: Port 2 là 1 port có tác dụng kép trên các chân từ 21 đến 28 trên 8051, được dùng như các đường xuất/nhập hoặc là byte cao của bus đòa chỉ 16-bit đối với các thiết kế dùng bộ nhớ chương trình ngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn 256 bytes bộ nhớ dữ liệu ngoài. • Port 3: Port 3 là port có tác dụng kép trên các chân từ 10 đến 17 trên 8051. Khi không hoạt động xuất/nhập, các chân của port này có nhiều chức năng riêng, mỗi chân có chức năng riêng liên quan đến các đặc trưng cụ thể của 8051 như ở bảng sau: Bit Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 RxD Ngõ vào dữ liệu nối tiếp. P3.1 TxD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp. P3.2 INT0\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 0 P3.3 INT1\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 1 P3.4 T0 Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 0. P3.5 T1 Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 1. P3.6 WR\ Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài 10 P3.7 RD\ Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài. Bảng 1.2: Chức năng của các chân của port 3. • Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN\ (Program store enable): Tín hiệu PSEN\ là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép truy xuất bộ nhớ chương trình mở rộng thường được nối đến chân OE\ (output enable) của EPROM cho phép đọc các byte mã lệnh. Tín hiệu PSEN\ ở mức thấp trong thời gian Microcontroller 8051 tìm nạp lệnh. Các mã lệnh của chương trình được đọc từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR bên trong 8051 để giải mã lệnh. Khi 8051 thi hành chương trình trong EPROM nội PSEN\ sẽ ở mức logic 1. • Chân cho phép chốt đòa chỉ ALE (Address Latch Enable): Khi 8051 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, port 0 có chức năng là bus đòa chỉ và bus dữ liệu đa hợp do đó phải tách các đường dữ liệu và đòa chỉ. Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường đòa chỉ và dữ liệu. Khi port 0 được sử dụng làm bus đòa chỉ/dữ liệu đa hợp, chân ALE xuất tín hiệu để chốt đòa chỉ vào một thanh ghi ngoài trong suốt ½ đầu của chu kỳ bộ nhớ. Sau khi điều này đã được thực hiện, các chân của port 0 sẽ xuất nhập dữ liệu hợp lệ trong suốt ½ thứ 2 của chu kỳ bộ nhớ. Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống. Ngoại lệ duy nhất là trong thời gian thực thi lệnh MOVX, một xung ALE sẽ bò bỏ qua. Chân ALE được dùng làm ngõ vào xung lập trình cho EPROM trên chip đối với các phiên bản của 8051 có EPROM này. • Chân truy xuất ngoài EA\(External Access): Tín hiệu vào EA\ ở chân 31 có thể ở mức logic1 (5v) hoặc mức logic 0 (GND). Nếu ở mức 1, 8051 thi hành chương trình trong ROM nội (chương trình nhỏ hơn 4 K). Nếu ở mức 0 (và chân PSEN\ cũng ở 11 logic 0), 8051 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng. Chân EA\ được lấy làm chân cấp nguồn 21V khi lập trình cho EPROM trong 8051. • Ngõ tín hiệu RST (Reset) : Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset của 8051. Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên cao ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trò thích hợp để khởi động hệ thống. Khi cấp điện mạch tự động Reset. • Các ngõ vào bộ dao động XTAL1, XTAL2: Mạch dao động bên trong chip 8051 được kết nối với thạch anh bên ngoài ở hai chân XTAL1 và XTAL2 (chân 18 và 19). Các tụ ổn đònh cũng được yêu cầu như trên hình vẽ trong sơ đồ. Tần số thạch anh thường sử dụng cho 8051 là 12Mhz. • Nguồn cung cấp Chip 8051 vận hành với nguồn đơn +5V. Chân 40 của chip 8051 được nối lên nguồn 5V (V CC ) và chân 20 được nối với mass (V SS ). 3. Cấu trúc cổng xuất nhập: Mạch bên trong của một chân port mô tả ngắn gọn trong hình 1.3. Việc ghi đến một chân của cổng sẽ nạp dữ liệu vào bộ chốt của port. Ngõ ra Q của bộ chốt điều khiển một transitor trường và transistor này nối với chân của cổng. Khả năng fanout của các port 1, 2 và 3 là 4 tải vi mạchTTL loại Schottky công suất thấp (LS), còn của port 0 là 8 tải loại LS. Lưu ý là điện trở kéo lên sẽ không có ở port 0 (trừ khi port này làm nhiệm vụ của bus đòa chỉ/dữ liệu đa hợp), do vậy một điện trở kéo lên bên ngoài phải được cần đến. 12 Chân Port Ghi chốt Đọc chốt Đọc chân Bus nội của 8051 D Q Chốt Port Vcc [...]... và các bit điều khiển Các bit điều khiển đặt chế độ hoạt động cho port nối tiếp, và các bit trạng thái Báo cáo kết thúc việc phát hoặc thu ký tự Các bit trạng thái có thể được kiểm tra bằng phần mềm hoặc có thể lập trình để tạo ngắt 2 Thanh ghi điều khiển port nối tiếp: 23 Thanh ghi điều khiển cổng nối tiếp dùng để thiết lập chế độ hoạt động của port nối tiếp Việc thiết lập chế độ hoạt động cho port... CPU đọc dữ kiện từ 8255 WR\ tác động mức thấp cho phép CPU gởi từ điều khiển hay dữ kiện ra 8255 RESET tác động mức cao cho phép xóa các thanh ghi bên trong gồm thanh ghi điều khiển và các cổng A, B, C ở mode nhận A0, A1: (Address bus) hai đường đòa chỉ xác đònh P A, PB, PC và từ điều khiển CW A1 A0 Cổng 0 0 PA 0 1 PB 1 0 PC 1 1 CW Điều khiển nhóm A và B: Cấu hình hoạt động của mỗi nhóm được lập trình... hoạt động cho bộ đònh thời 0 và 4 bit cao đặt chế độ hoạt động cho bộ đònh thời 1 TMOD không được đònh đòa chỉ từng bit, nó được nạp một lần bởi phần mềm ở đầu chương trình để khởi động chế độ hoạt động của bộ đònh thời Sau đó bộ đònh thời có thể được dừng, khởi động lại bởi sự truy xuất các thanh ghi chức năng đặc biệt khác của bộ đònh thời 3 Thanh ghi điều khiển đònh thời TCON: Thanh ghi điều khiển. .. phần mềm, chủ yếu là CPU xuất phát từ điều khiển đến 8255 Từ điều khiển gồm các thông tin như chế độ (mode), bit set, bit reset, v.v … sẽ khởi động cấu hình hoạt động của 8255 Thanh ghi từ điều khiển chỉ có thể viết vào mà không đọc ra Các cổng A, B, C: 8255 gồm 3 cổng A, B và C Mỗi cổng gồm 8 bits Các cổng này có thể được lập trình bởi phần mềm để có thể hoạt động ở chế độ thích hợp 32 Cổng A: gồm... cho mỗi sự kiện 6 Khởi động dừng và điều khiển các bộ đònh thời: Bit TRx trong thanh ghi có bit đònh vò TCON được điều khiển bởi phần mềm để bắt đầu hoặc kết thúc các bộ đònh thời Để bắêt đầu các bộ đònh thời ta set bit TRx và để kết thúc bộ đònh thời ta xoá TRx Thêm phương pháp nữa để điều khiển các bộ đònh thời là dùng bit GATE trong thanh ghi TMOD và ngõ nhập bên ngoài INTx Điều này được dùng để... lệnh IN, OUT bởi CPU Các từ điều khiển cũng truyền qua dữ kiện Phần kiểm soát đọc ghi: 31 Chức năng của khối này là kiểm soát tất cả các sự truyền đạt bên trong và bên ngoài của từ điều khiển và dữ kiện Nó nhận ngõ vào từ tuyến đòa chỉ và sự điều khiển của CPU, phát ra các lệnh cần thiết cho cả hai nhóm A và B CS\ tác động mức thấp cho phép truyền tin giữa 8255 và CPU RD\ tác động mức thấp cho phép 8255... Các mode hoạt động: 8255 có 4 mode hoạt động: a Mode Bit Set/Reset: Mode bit set/reset có thể thiết lập hay xoá bit cho cổng PC, thường dùng tạo xung chốt số liệu Mỗi lần xuất ra một từ điều khiển đến IC 8255A với D7 = 0, chỉ tác động đến 1 bit của cổng C D7 D6 CW 0XXX D 5 D4 D 3 D 2 D1 D 0 0: xoá 1: thiết lập Bit e selectPC7PC6PC5PC4PC3PC2PC1PC01010101011 00110011110000 Cấu trúc từ điều khiển CW trong... Khởi động và truy xuất các thanh ghi đònh thời: 22 Các bộ đònh thời được khởi động 1 lần ở đầu chương trình để đặt chế độ hoạt động cho chúng Sau đó trong chương trình các bộ đònh thời được bắt đầu, được xóa, các thanh ghi đònh thời được đọc và cập nhật theo yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể TMOD là thanh ghi đầu tiên được khởi gán, bởi vì đặt chế độ hoạt động cho các bộ đònh thời Cờ tràn TFx tự động. .. khi có một mức thấp hoặc cạnh xuống trên chân INT0 hoặc INT1 của vi điều khiển Các cờ tạo ngắt này là các bit IE0 và IE1 trong thanh ghi TCON Khi quyền điều khiển đã trỏ tới trình phục vụ ngắt, cờ tạo ra ngắt chỉ được xóa nếu ngắt được tích cực bằng cạnh xuống Nếu ngắt được tích 29 cực theo mức, thì nguồn yêu cầu ngắt bên ngoài sẽ điều khiển mức của cờ thay cho phần cứng Chương III : KHẢO SÁT CÁC IC NGOẠI... 2 chiều 8 bits (cổng A) và một cổng điều khiển 5 bits (cổng C) cho cổng A - Cả vào/ra đều có chốt Khi reset, tất cả các cổng được thiết lập ở chế độ nhập (input), tức là sau khi reset IC 8255A có thể duy trì ở chế độ nhập mà không cần khởi động gì thêm Trong khi thực hiện chương trình hệ thống, có thể chọn bất kỳ mode nào bằng cách xuất đến IC 8255A từ điều khiển Điều này cho phép chỉ cần một IC 8255A . hoạt động của xe, sau đó điều khiển hai motor kéo hai bánh xe (2) và (3) ở hai bên thành xe quay, xe sẽ di chuyển về phía trước. Đồng thời bộ phận cảm biến (4) và (5) ở dưới xe cũng hoạt động. . tăng lên 1; phím Go/Stop được dùng để kích khởi xe hoạt động hoặc ngừng hoạt động của xe khi nó đang chuyển động. 2. Quá trình vận hành của xe: Xe sẽ di chuyển theo lộ trình đònh sẵn trong khoảng. phát. Thanh ghi điều khiển port nối tiếp (SCON) ở điạ chỉ 98H là thanh ghi có điạ chỉ bit chứa các bit trạng thái và các bit điều khiển. Các bit điều khiển đặt chế độ hoạt động cho port nối