Nghiên cứu chế tạo KIT vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ cao đẳng ngành điện tự động hóa tại trường cao đẳng công nghiệp nam định

Bộ CÔNG thơng TRƯờNG CAO ĐẳNG CÔNG NGHIệP NAM ĐịNH Báo cáo TổNG HợP kết quả nghiên cứu đề tài kH-cn cấp bộ Nghiên cứu chế tạo kit vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ cao đẳng ngành điện tự động hóa tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam định Chủ nhiệm đề tài: ThS. Bùi tiến dũng 7812 22/3/2010 Nam định, 2009 Bộ CÔNG thơng TRƯờNG CAO ĐẳNG CÔNG NGHIệP NAM ĐịNH Bùi tiến dũng Nghiên cứu chế tạo kit vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ cao đẳng ngành điện tự động hóa tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam định Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài kH-cn cấp bộ M số: Những ngời tham gia nghiên cứu 1. Cần Cẩm Giang Th ký 2. Vũ Trọng Nghị ủy viên 3. Phạm Đức Cờng ủy viên 4. Phạm Hồng Phong ủy viên Nam định, 2009 1 Mục lục trang Mục lục Mở đầu 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 2. Mục đích nghiên cứu 3. Đối tợng nghiên cứu 4. Giả thuyết khoa học 3 4 4 4 5. Nhiệm vụ nghiên cứu 6. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu 7. Phơng pháp nghiên cứu 8. Những đóng góp chính của đề tài 9. Cấu trúc đề tài 4 4 4 5 5 Chơng 1: kỹ thuật vi điều khiển và đào tạo kỹ thuật vi điều khiển trong các trờng cao đẳng 1.1.Bộ vi điều khiển (microcontroller - àC) 1.2. ứng dụng của bộ vi điều khiển 1.3. Mục đích và yêu cầu của môn học kỹ thuật vi điều khiển 1.4. Mục tiêu của đề tài 6 6 8 8 12 Chơng 2: Giới thiệu vi điều khiển AT89S8252 và công cụ phát triển của AT89S8252 2.1. Giới thiệu vi điều khiển AT89S8252 2.2. Các công cụ phát triển cho vi điều khiển AT89S8252 13 13 31 Chơng 3: Nghiên cứu chế tạo KIT vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ cao đẳng ngành điện tự động hóa 3.1. Thiết lập sơ đồ khối của bộ KIT vi điều khiển 3.2. Chọn thiết bị cho bộ KIT vi điều khiển 36 36 37 2 3.3. Sơ đồ nguyên lý bộ KIT vi điều khiển 70 Chơng 4: Nghiên cứu XÂY DựNG Hệ THốNG BàI THựC TậP vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ cao đẳng ngành điện tự động hóa Bài số 1: Điều khiển đầu ra số 73 73 Bài số 2: Điều khiển động cơ DC Bài số 3: Điều khiển động cơ bớc Bài số 4: Điều khiển LED 7 thanh 76 81 85 Bài số 5: Giải mã bàn phím Bài số 6: Hiển thị LCD Bài số 7: Điều khiển ADC Bài số 8: Điều khiển DAC 88 91 95 97 Bài số 9: Điều khiển ma trận Led Bài số 10: Điều khiển bộ đếm Kết luận và khuyến nghị Tài liệu tham khảo 101 104 106 108 Phụ lục 1 Phụ lục 2 109 113 Phụ lục 3 117 3 Mở đầu 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Kỹ thuật vi điều khiển (KTVĐK) là nền tảng để nghiên cứu, thiết kế, khai thác trong các hệ thống điều khiển số hiện đại. Bộ vi điều khiển dùng trong các thiết kế nhỏ, với số thành phần thêm vào tối thiểu nhằm thực hiện các hoạt động hớng điều khiển ( điều khiển thiết bị xuất nhập). Bộ vi điều khiển thờng đợc lập trình thờng trực cho một công việc và có các tập lệnh điều khiển. Một số kết quả ứng dụng bớc đầu đã khẳng định sự cần thiết phải phát triển nhanh hơn nữa trong việc giảng dạy, học tập và ứng dụng kỹ thuật vi điều khiển vào giải quyết các nhu cầu điều khiển trong các lĩnh vực kỹ thuật, sản xuất ở nớc ta. Nhận thức đợc vai trò quan trọng của kỹ thuật vi điều khiển, trong những năm gần đây các viện nghiên cứu, các trờng Đại học, Cao đẳng và các cơ quan ứng dụng ở nớc ta đã tích cực tìm hiểu, học tập, giảng dạy và sử dụng kỹ thuật vi điều khiển. Vì vậy, muốn đào tạo sinh viên cao đẳng ngành Điện tự động hóa có khả năng sẵn sàng đáp ứng yêu cầu thực tế, khả năng làm đợc và làm tốt các ứng dụng điều khiển, khả năng vận dụng ngay các kiến thức đã học vào cuộc sống thực tiễn. Các trờng Cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp nói chung và trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định nói riêng trong quá trình đào tạo Kỹ thuật vi điều khiển cần nghiên cứu đổi mới nội dung đào tạo, gắn đào tạo với thực tiễn sản xuất. Từ những lý luận trên chúng tôi chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo KIT vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định 4 2. Mục đích nghiên cứu Chế tạo KIT và xây dựng hệ thống bài thực tập phục vụ dạy và học môn học kỹ thuật vi điều khiển cho sinh viên hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định. 3. Đối tợng nghiên cứu Quá trình dạy, học và đánh giá kết quả học tập kỹ thuật vi điều khiển dựa trên nănh lực thực hành của sinh viên hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa trờng Cao dẳng Công nghiệp Nam Định. 4. Giả thuyết khoa học Nếu xây dựng đợc bộ KIT và hệ thống bài thực tập cho sinh viên một cách khoa học và khả thi sẽ góp phần nâng cao chất lợng dạy và học môn học kỹ thuật vi điều khiển. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu * Xây dựng cơ sở lý luận, tổng quan về kỹ thuật vi điều khiển. * Nghiên cứu chế tạo KIT và xây dựng hệ thống bài thực tập mẫu hỗ trợ dạy và học môn học kỹ thuật vi điều khiển cho sinh viên Cao đẳng ngành Điện tự động hóa. * Thực nghiệm s phạm. 6. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu * Giới hạn: Phục vụ dạy và học môn học kỹ thuật vi điều khiển cho sinh viên Cao đẳng ngành Điện tự động hóa. * Phạm vi: Việc khảo sát, đánh giá thực trạng tiến hành ở một số trờng Cao đẳng thuộc Bộ Công Thơng. Tổ chức thực nghiệm tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định. 7. Phơng pháp nghiên cứu * Nghiên cứu lý luận: Tài liệu về kỹ thuật vi điều khiển trong và ngoài nớc. * Nghiên cứu thực tiễn: Điều tra, khảo sát thực trạng dạy và học môn học kỹ thuật vi điều khiển cho sinh viên Cao đẳng ngành Điện tự động hóa ở một số trờng Cao đẳng thuộc Bộ Công Thơng. 5 * Phơng pháp chuyên gia: Lấy ý kiến các chuyên gia * Phơng pháp thực nghiệm s phạm: Kiểm tra giả thuyết đề tài. 8. Những đóng góp chính của đề tài * Về lý luận: - Đề tài là một trong các công trình nghiên cứu cơ sở lý luận về kỹ thuật vi điều khiển. - Hoàn thiện thêm một bớc về dạy và học kỹ thuật vi điều khiển, đề tài đã phân tích và lựa chọn AT89S8252 để làm rõ hơn về kỹ thuật vi điều khiển. * Về thực tiễn: - Chế tạo KIT vi điều khiển - Xây dựng hệ thống bài thực tập. 9. Cấu trúc đề tài Phần mở đầu Chơng 1: Kỹ thuật vi điều khiển và đào tạo Kỹ thuật vi điều khiển trong các trờng Cao đẳng Công nghiệp. Chơng 2: Giới thiệu vi điều khiển AT89S8252 và công cụ phát triển của AT89S8252 Chơng 3: Nghiên cứu chế tạo KIT vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa. Chơng 4: Xây dựng hệ thống bài thực tập kỹ thuật vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định. Kết luận Danh mục các tài liệu tham khảo Phụ lục 6 Chơng 1 kỹ thuật vi điều khiển và đào tạo kỹ thuật vi điều khiển trong các trờng cao đẳng 1.1 Bộ vi điều khiển ( microcontroller - àC ) 1.1.1. Khái niệm Bộ vi điều khiển là một vi mạch đơn chứa bên trong một CPU và các mạch khác nh RAM, ROM, mạch giao tiếp nôí tiếp, giao tiếp song song, bộ định thời, các mạch điều khiển ngắt để tạo nên một hệ máy tính đầy đủ. 1.1.2. Sự phát triển của các bộ vi điều khiển Năm1976, hãng Intel giới thiệu bộ vi điều khiển 8748 là vi mạch chứa 17000 transistor bao gồm 1 CPU, 1Kbyte EPROM, 64 byte RAM, 27 cổng xuất nhập và 1 bộ định thời 8 bit. IC này và các IC tiếp theo của họ MCS - 48 nhanh chóng trở thành chuẩn công nghiệp trong các ứng dụng hớng điều khiển thay thế các thành phần cơ điện trong các sản phẩm nh máy giặt, bộ điều khiển đèn giao thông, các thiết bị công nghiệp, dân dụng Độ phức tạp, kích thớc và khả năng của các bộ vi điều khiển đợc tăng thêm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi Intel công bố chip 8051, bộ vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MSC-51. So với 8048, chíp 8051 chứa trên 60000 transistor bao gồm 1 CPU, 4Kbyte EPROM, 128 byte RAM, 32 đờng xuất nhập, 1port nối tiếp, 2 bộ định thời 16 bit. Họ MCS -51 ngày càng phát triển và là một trong các bộ vi điều khiển 8 bit mạnh và linh hoạt trở thành bộ vi điều khiển hàng đầu trong những năm gần đây. 1.1.3. Giới thiệu sơ lợc cấu trúc của bộ vi điều khiển Cấu trúc cơ bản của một bộ vi điều khiển gồm hai phần chính là phần cứng và phần mềm. Phần cứng là toàn bộ các thiết bị vật lý xây dựng nên bộ vi điều khiển. 7 Ví dụ: CPU, bộ nhớ, cổng vào / ra, các thiết bị ngoại vi, nguồn cung cấp Cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo mạch tích hợp, phần cứng của bộ vi điều khiển càng gọn nhẹ, tích hợp nhiều chức năng và tiêu thụ năng lợng ít. Phần mềm của bộ vi điều khiển bao gồm các chơng trình điều hành và chơng trình ứng dụng. Để thiết kế bộ vi điều khiển, ngời sử dụng đợc hỗ trợ bởi các công cụ phát triển. Công cụ phát triển bộ vi điều khiển gồm một thiết bị mô phỏng và phần mềm lập trình cho àC. Để giảm nhẹ việc phát triển phần mềm, các công cụ phần mềm thờng đợc trang bị bộ trình biên dịch ngôn ngữ bậc cao nh C. 1.1.4. Các tiêu chuẩn lựa chọn một bộ vi điều khiển * Tiêu chuẩn đầu tiên trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là nó phải đáp ứng nhu cầu mặt công suất tính toán và giá thành hiệu quả. Những tiêu chuẩn đợc đa ra là: - Tốc độ: Tốc độ lớn nhất mà bộ vi điều khiển hỗ trợ là bao nhiêu. - Kiểu đóng vỏ: DIP hay QFP ( DIP là đóng vỏ theo 2 hàng chân. QFP là đóng vỏ vuông dẹt ) - Công suất tiêu thụ: Điều này đặc biệt khắt khe đối với những sản phẩm dùng pin, ắc quy. - Dung lợng bộ nhớ RAM và ROM trên chíp. - Số chân vào - ra và bộ định thời trên chíp - Khả năng dễ dàng nâng cấp cho hiệu suất cao hoặc giảm công suất tiêu thụ. - Giá thành: Điều này quan trọng quyết định giá thành của sản phẩm mà một bộ vi điều khiển đợc sử dụng. * Tiêu chuẩn thứ hai trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là khả năng phát triển các sản phẩm xung quanh nó. Các cân nhắc chủ yếu bao gồm khả năng có sẵn trình hợp ngữ, trình biên dịch ngôn ngữ và khả năng sử dụng trong thực tế. *Tiêu chuẩn thứ ba trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là khả năng sẵn sàng đáp ứng về số lợng trong hiện tại và tơng lai. 8 Hiện nay, các bộ vi điều khiển 8 bit họ 8051 có số lợng lớn các nhà cung cấp đa dạng. Nhà cung cấp có nghĩa là nhà sản xuất bên cạnh nhà sáng chế của bộ vi điều khiển. Trong trờng hợp 8051 thì nhà sáng chế của nó là Intel, nhng hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất nó. Các hãng này bao gồm: Intel, Atmel, Philips/signe-tics, AMD, Siemens, Matra và Dallas, Semicndictior 1.2. ứng dụng của Bộ vi điều khiển Do đòi hỏi phát triển của sản xuất và xã hội, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử phát triển với tốc độ cực kỳ nhanh chóng đã tạo nên một nền tảng vững chắc cho ngành vi điều khiển. Bộ vi điều khiển dùng trong các thiết kế nhỏ, với số thành phần thêm vào tối thiểu nhằm thực hiện các hoạt động hớng điều khiển ( điều khiển thiết bị xuất nhập) do vậy các bộ vi điều khiển thờng đợc lập trình thờng trực cho một công việc và có các tập lệnh cung cấp các điều khiển xuất nhập. Các bộ vi điều khiển ra đời đã đem lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế vô cùng to lớn. Các bộ vi điều khiển đợc ứng dụng rất phổ biến để chế tạo các bộ điều khiển số điều khiển tự động quá trình sản xuất, điều khiển robot, điều khiển máy công cụ. Việc ứng dụng kỹ thuật vi điều khiển làm tăng độ bền vững, độ tin cậy, độ mềm dẻo và tính chống nhiễu cho các thiết bị số. 1.3. Đào tạo kỹ thuật vi ĐIềU KHIểN trong các trờng cao đẳng 1.3.1 Mục đích và yêu cầu của môn học kỹ thuật vi điều khiển a. Mục đích Môn học Kỹ thuật vi điều khiển là môn học kỹ thuật chuyên môn dùng cho đào tạo hệ Cao đẳng chuyên ngành Điện tự động hoá tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định. Môn học đợc giảng dạy sau các môn: Kỹ thuật điện tử, Điều khiển logic Trong môn học Kỹ thuật vi điều khiển, các kiến thức của các môn học nói trên đợc coi là những kiến thức cơ sở cần thiết để tiếp thu các vấn đề của Kỹ thuật vi điều khiển. [...]... dụng vi điều khiển, đồng thời sử dụng thành thạo các phần mềm lập trình nh: Reads51, Keil C51, Proload 1.3.2 Chơng trình đào tạo môn học kỹ thuật vi điều khiển hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định ( Phụ lục 1 ) 1.3.3 Khảo sát, đánh giá thực trạng đào tạo môn học kỹ thuật vi điều khiển hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định a... giáo vi n thông qua phiếu trng cầu ý kiến về nội dung, phơng pháp giảng dạy môn học kỹ thuật vi điều khiển hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định ( Phụ lục 2) *Lấy ý kiến của 150 sinh vi n khoa điện - điện tử ( khóa CĐ47E, CĐ48ĐI, CĐ49E ) thông qua phiếu trng cầu ý kiến về nội dung, phơng pháp 9 học tập môn học kỹ thuật vi điều khiển hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa. .. ging dy K thut vi iu khin ngnh Đin t ng húa - 30 % số sinh vi n đợc hỏi cho rằng h thng bi thc tp úng vi trũ trung bình trong ging dy K thut vi iu khin ngnh Đin t ng húa 11 1.4 mục tiêu của đề tài Với đề tài: Nghiên cứu chế tạo KIT vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định nhằm phục vụ thực hành cho sinh vi n, hỗ trợ công tác giảng... Kỹ thuật vi điều khiển Qua nghiên cứu lý thuyết và khảo sát thiết bị thực tế trên thị trờng, chúng tôi đã lựa chọn họ vi điều khiển họ MSC-51để chế tạo KIT vi điều khiển Kết quả đã thiết kế hoàn chỉnh bộ KIT với các thiết bị vào ra và ngoại vi phong phú cùng các bài tập mẫu và tài liệu hớng dẫn sử dụng Hy vọng rằng đây sẽ là thiết bị để hỗ trợ tốt cho sinh vi n học môn Kỹ thuật vi điều khiển 12 Chơng... đặc biệt 2.1.4 Hoạt động định thời của AT89S8252 Các bộ định thời dùng để định thời trong một khoảng thời gian, đếm sự kiện hoặc dùng để tạo tốc độ baud cho vi c truyền thông nối tiếp Trong AT89S8252 có ba bộ định thời là T0, T1 và T2 2.1.4 1 Bộ định thời T0 và T1 Vi c lựa chọn chế độ hoạt động cho các Timer 0 và timer 1 nhờ vào thanh ghi TMOD Còn vi c điều khiển các Timer hoạt động nhờ vào thanh ghi... 2.3) Bảng 2.3: Cách chọn chế chếhoạthoạt độngTimertimer 2 Bảng II.3: Cách chọn độ độ động của của 2 23 - Chế độ tự nạp lại Hình 2.11: Chế độ tự nạp lại của bộ định thời 2 CP/ RL2C = 0 bộ định thời 2 hoạt động ở chế độ tự nạp lại TL2/TH2 làm nhiệm vụ các thanh ghi định thời RCAP2L/RCAP2H lu giữ giá trị nạp lại Bộ định thời 2 luôn là bộ định thời 16 bit ngay cả ở chế độ tự nạp lại Vi c nạp lại xảy ra khi... học trang bị cho sinh vi n những khái niệm chủ yếu về một bộ vi điều khiển: cấu trúc, nguyên tắc hoạt động của một bộ vi điều khiển gồm CPU cùng các mạch phụ trợ, tập lệnh, cách lập trình bằng hợp ngữ, các phơng thức điều khiển vào / ra dữ liệu và các phơng pháp ghép nối các thiết bị ngoại vi b.Yêu cầu Sinh vi n cần nắm vững về lý thuyết và ứng dụng đợc kỹ thuật vi điều khiển trong thực hành Cụ thể... Có 4 mode hoạt động cho các Timer Mode 0: Đây là chế độ định thời 13-bit của Timer Byte cao của bộ định thời THx ( x = 0 or x =1) đợc ghép với 5-bit thấp của bộ định thời TLx để tạo ra bộ định thời 3-bit cao của TLx không đợc sử dụng 20 Hình II.8 : Mode 0 của bộ định thời 1 Hình 2.8: Mode 0 của bộ định thời1 Mode 1: Đây là chế độ định thời 16-bit Nó cũng giống chế độ định thời 13-bit Bộ định thời đếm... tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định ( Phụ lục 2) b Đánh giá: *ý kiến của giáo vi n: -Về nhu cu s dng lao ng thuc chuyờn ngnh Đin t ng húa hin nay khu vc ng bng sụng Hng l: 10 % số giáo vi n đợc hỏi cho là cao 70% số giáo vi n đợc hỏi cho là trung bình 20 % số giáo vi n đợc hỏi cho là thấp - Về cht lng o to K thut vi n ngnh Đin t ng húa ti trng Cao ng Cụng nghip Nam nh hin nay l: 10 % số giáo vi n... tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển trong phần mềm Keil C51 - Bộ nhớ chơng trình: Đây là vùng nhớ chỉ đọc trong vi điều khiển Nó có thể có dung lợng tới 64KB Trong phầm mềm Keil C51 thì vùng nhớ này đợc định dạng bằng từ khoá code 32 Ví dụ khai báo biến thuộc vùng code: char code str[]={CD CNND}; //Khai báo một mảng ký tự chứa trong vùng nhớ code - Bộ nhớ dữ liệu bên trong vi điều khiển: Đây là vùng nhớ . Nghiên cứu chế tạo KIT vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định 4 2. Mục đích nghiên cứu Chế tạo KIT và xây dựng hệ. CAO ĐẳNG CÔNG NGHIệP NAM ĐịNH Bùi tiến dũng Nghiên cứu chế tạo kit vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ cao đẳng ngành điện tự động hóa tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam định . Cao đẳng ngành Điện tự động hóa. Chơng 4: Xây dựng hệ thống bài thực tập kỹ thuật vi điều khiển dùng trong đào tạo hệ Cao đẳng ngành Điện tự động hóa tại trờng Cao đẳng Công nghiệp Nam Định.