Thiết kế và chế tạo bộ thực hành vi điều khiển và ghép nối thiết bị ngoại vi cho sinh viên các ngành thuộc khoa điện – điện tử

Tên sản phẩm:- 01 Bài báo được tính điểm công trình khoa học trong danh mục HĐCDGSNN - 01 Tập hướng dẫn thực hành vi điều khiển - 01 Tập hướng dẫn thực hành điều khiển ghép nối thiết bị

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THỰC HÀNH VI ĐIỀU KHIỂN VÀ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI CHO SINH VIÊN CÁC NGÀNH THUỘC KHOA ĐIỆN –

ĐIỆN TỬ

Mã số: T2022-06-37 Chủ nhiệm đề tài: TS Phạm Duy Dưởng

Đà Nẵng, 11/2023

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THỰC HÀNH VI ĐIỀU KHIỂN VÀ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI CHO SINH VIÊN CÁC NGÀNH THUỘC KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Mã số: T2022-06-37

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài

PHÓ HIỆU TRƯỞNG

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU

chuyên môn

động hoá

M C ỤC L C ỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vii

MỞ ĐẦU 1

1 CƠ SỞ XÂY DỰNG BỘ THỰC HÀNH 5

1.1 Tổng quan về vi điều khiển 8051 5

1.1.1 Tổng quan về vi điều khiển 5

1.1.2 Một số họ vi điều khiển thông dụng 6

1.1.3 Lịch sử phát triển của bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển 7

1.1.4 Tổng quan về vi điều khiển 8051 9

1.2 Định hướng giảng dạy vi điều khiển và điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi tại Khoa Điện – Điện tử 11

1.3 Đề cương chi tiết học phần 13

1.3.1 Học phần thực hành vi điều khiển [1] 13

1.3.2 Học phần thực hành điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi [2] 21

2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG CỦA BỘ THỰC HÀNH 28

2.1 Yêu cầu thiết kế bộ thực hành 28

2.2 Thiết kế các mô đun 29

2.2.1 Mô đun vi điều khiển 8051 29

2.2.2 Mô đun nhập dữ liệu 30

2.2.3 Mô đun hiển thị 31

2.2.4 Mô đun điều khiển động cơ 31

2.2.5 Mô đun thực hành giao thức I2C 32

2.2.6 Mô đun thực hành giao thức UART 32

2.2.7 Mô đun thực hành giao thức 1-WIRE 33

2.2.8 Mô đun thực hành giao thức SPI 33

2.2.9 Mô đun thực hành ADC-DAC 34

2.2.10 Mô đun thực hành mở rộng đầu vào 35

2.2.11 Mô đun thực hành mở rộng đầu ra 35

2.3 Chế tạo KIT thực hành 36

3 XÂY DỰNG CÁC BÀI HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 38

3.1 Xây dựng các bài thực hành vi điều khiển 38

3.1.1 Lập trình LED đơn 38

3.1.2 Lập trình nút nhấn 40

3.1.3 Lập trình LED đơn sử dụng bộ định thời 41

3.1.4 Lập trình ngắt 43

3.1.5 Lập trình LED 7 đoạn 45

3.1.6 Lập trình LCD 48

3.1.7 Lập trình điều khiển động cơ 50

3.2 Xây dựng các bài thực hành điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi 53

3.2.1 Thực hành chuyển đổi tương tự - số 54

3.2.2 Thực hành mở rộng vào ra 55

3.2.3 Thực hành giao thức UART 56

3.2.4 Thực hành giao thức 1-WIRE 58

3.2.5 Thực hành giao thức I2C 59

3.2.6 Thực hành giao thức SPI 60

4 XÂY DỰNG CÁC CHƯƠNG TRÌNH MẪU CHO CÁC BÀI THỰC HÀNH 62

4.1 Xây dựng các bài thực hành vi điều khiển 62

4.1.1 Lập trình LED đơn 62

4.1.2 Lập trình nút nhấn 63

4.1.3 Lập trình LED đơn sử dụng bộ định thời 64

4.1.4 Lập trình ngắt 64

4.1.5 .66

4.1.6 Lập trình LED 7 đoạn 67

4.1.7 Lập trình LCD 68

4.1.8 Lập trình điều khiển động cơ 68

4.2 Xây dựng các bài thực hành điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi 70

4.2.1 Thực hành chuyển đổi tương tự - số 70

4.2.2 Thực hành mở rộng vào ra 71

4.2.3 Thực hành giao thức UART 72

4.2.4 Thực hành giao thức 1-WIRE 73

4.2.5 Thực hành giao thức I2C 75

4.2.6 Thực hành giao thức SPI 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

DANH M C ỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mô đun vi điều khiển 8051 29Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mô đun vi điều khiển Arduino 30

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý mô đun điều khiển động cơ 32Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mô đun thực hành giao thức I2C 32Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mô đun thực hành giao thức UART 33Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mô đun thực hàn giao thức 1-WIRE 33Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý mô đun thực hành giao thức SPI 34Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý mô đun thực hành ADC-DAC 34Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mô đun thực hành mở rộng đầu vào 35Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý mô đun thực hành mở rộng đầu ra 36

DANH M C ỤC B NG ẢNG BI U ỂU

Bảng 1.1 So sánh các đặc tính của các thành viên họ 8051 9Bảng 1.2 Các phiên bản của 8051 do hãng Atmel cung cấp (Flash ROM) 10

DANH M C ỤC CÁC CHỮ VI T ẾT T T ẮT

ROM Bộ nhớ chương trình

ALU Đơn vị xử lý số học logic

CLO Chuẩn đầu ra học phần

PLO Chuẩn đầu ra chương trình đào tạoUART Giao thức truyền thông không đồng bộI2C Inter-Integrated Circuit

1-WIRE Giao thức truyền thông 1 dây

SPI Serial Peripheral Interface

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN K T ẾT QUẢNG NGHIÊN C U ỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ thực hành vi điều khiển và ghép nối thiết bị ngoại

vi cho sinh viên các ngành thuộc khoa điện – điện tử

- Mã số: T2022-06-37

- Chủ nhiệm: TS Phạm Duy Dưởng

- Thành viên tham gia: ThS Phan Ngọc Kỳ, ThS Phan Thị Thanh Vân

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

- Thời gian thực hiện: từ 03/2023 đến 11/2023

Hướng dẫn thực hiện đề tài theo hướng gợi ý, phân tích vấn đề mới, vấn đề khó đểsinh viên tự lập trình đáp ứng được yêu cầu

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

Đề tài đã đạt được kết quả đáp ứng mục tiêu đề tài bao gồm việc thiết kế chế tạo

mô đun thực hành theo hưởng mở nhằm nâng cao khả năng đọc tài liệu, tư duy của sinhviên, xây dựng tập hướng dẫn thực hành Ngoài ra, đề tài còn công bố được 01 bài báotrong kỷ yếu hội nghị ATiGB của Nhà trường

5 Tên sản phẩm:

- 01 Bài báo được tính điểm công trình khoa học trong danh mục HĐCDGSNN

- 01 Tập hướng dẫn thực hành vi điều khiển

- 01 Tập hướng dẫn thực hành điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi

- 04 Bộ thực hành vi điều khiển và điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi (mỗi bộbao gồm 11 mô đun đáp ứng nội dung thực hành của học phần Thực hành vi điều khiển

và học phần thực hành điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi)

dụng:

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp

Sản phẩm đề tài được chuyển giao cho PTN Bộ môn Tự động hoá để triển khaigiảng dạy Thực hành vi điều khiển và thực hành điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi.Sản phẩm có tập hướng dẫn thực hành rõ ràng, phù hợp với phần cứng, phù hợp với nộidung học phần hỗ trợ cho giảng viên rất nhiều trong quá trình hướng dẫn thực hành cáchọc phần trên

7 Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính

1 Mô đun vi điều khiển 8051 7 Mô đun giao tiếp UART

2 Mô đun Arduino 8 Mô đun giao tiếp SPI

3 Mô đun mở rộng đầu vào 9 Mô đun giao tiếp 1-WIRE

4 Mô đun nhập dữ liệu đầu vào 10 Mô đun hiển thị

5 Mô đun chuyển đổi ADC – DAC 11 Mô đun mở rộng đầu ra

6 Mô đun giao tiếp I2C 12 Mô đun điều khiển động cơ

XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KT HIỆU TRƯỞNG PHÓ HIỆU TRƯỞNG

PGS TS Võ Trung Hùng

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Design and manufacture a practical microcontroller and peripheraldevice connection for students in the Electrical and Electronics Engineering FacultyCode number: T2022-06-37

Coordinator: Dr Pham Duy Duong, MSc, Phan Ngoc Ky, MSc Phan Thi Thanh Van Implementing institution: University of Technology and Education

3 Creativeness and innovativeness:

Design and manufacture a module-based practice set so that students must read thediagram and learn the operating principles before plugging in the wires to improve students'reading and thinking skills

Guide the implementation of the topic in the direction of suggestions and analysis

of new and difficult problems so that students can program themselves to meet therequirements

4 Research results:

The project has achieved results that meet the project's objectives, includingdesigning and manufacturing open-ended practice modules to improve students' ability toread documents and thinking, and develop a practice guide In addition, the project alsopublished 01 article in the school's ATiGB conference proceedings

5 Products:

01 article is scored for scientific works in the list of Scientific Research Council

01 Microcontroller practice guide

01 Set of practical instructions for controlling and pairing peripheral devices

04 microcontroller and peripheral device implementation sets (each set includes 11modules as presented in the research content)

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

The project product was transferred to the Automation Laboratory to implement teaching Microcontroller practice and peripheral device pairing control practice The product has a set of clear practice instructions, suitable for the hardware, suitable for the course content, which greatly supports lecturers during the process of guiding practice ofthe above modules

o Chương trình đào tạo định hướng nghiên cứu là chương trình đào tạo cómục tiêu và nội dung xây dựng theo hướng chuyên sâu về nguyên lý, lý thuyết cơ bảntrong các lĩnh vực khoa học, phát triển các công nghệ nguồn làm nền tảng để pháttriển các lĩnh vực khoa học ứng dụng và công nghệ.

o Chương trình đào tạo định hướng ứng dụng là chương trình đào tạo có mụctiêu và nội dung xây dựng theo hướng phát triển kết quả nghiên cứu cơ bản, ứngdụng các công nghệ nguồn thành các giải pháp công nghệ, quy trình quản lý, thiết kếcác công cụ hoàn chỉnh phục vụ nhu cầu đa dạng của con người

o Chương trình đào tạo định hướng thực hành là chương trình đào tạo có mụctiêu và nội dung xây dựng theo hướng tập trung vào việc thực hiện các giải phápcông nghệ, quy trình quản lý, sản xuất, chế tạo các công cụ phục vụ sản xuất và đờisống dựa trên cơ sở những thiết kế có sẵn

Đối với chương trình đào tạo định hướng ứng dụng và định hướng thực hànhthì cần đầu tư đại trà trang thiết bị thực hành để sinh viên kiểm chứng lý thuyết vàtiếp cận công việc thực tế

Trong nước:

Nhiều trường ở Việt Nam phát triển theo định hướng ứng dụng hoặc thực hành với

tỉ lệ các học phần thực hành, thực tập, thí nghiệm và đồ án lên đến hơn 40% của chươngtrình đào tạo Các học phần này đòi hỏi cần trang thiết bị để thực hành, thực tập một cáchhiệu quả phù hợp với chuẩn đầu ra của học phần nói riêng và chương trình đào tạo nóichung Hiện nay có nhiều đơn vị cung cấp các thiết bị thực hành, thí nghiệm trong vàngoài nước Tuy nhiên các thiết bị thực hành thí nghiệm ngoài yêu cầu giá thành thì cầnphải đáp ứng hết các chuẩn đầu ra và yêu cầu chuyên biệt về chuyên ngành của đối tượng

sử dụng Do vậy, nhiều trường đại học, cao đẳng hiện nay khuyến khích giảng viên

2nghiên cứu chế tạo thiết bị thực hành phù hợp cho chuyên ngành đào tạo với giá cả hợplý.

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng cũng là trường phát triểntheo định hướng ứng dụng Trong các năm qua nhiều đề tài của giảng viên đã xây dựngđược các thiết bị thực hành rất hiệu quả cho sinh viên từ nguồn kinh phí của đề tài nghiêncứu khoa học cấp cơ sở như hệ thống phân loại sản phẩm phục vụ cho môn học thực hànhđiều khiển logic, bộ thực hành điện khí nén phục vụ cho môn học thực hành điều khiểnđiện khí nén,…

2 Tính cấp thiết

- Theo định hướng của nhà trường là đào tạo định hướng ứng dụng nên khối lượngcác học phần thực hành, thực tập, đồ án chiếm tỉ trọng cao trong chương trình đào tạo.Điều này cũng đặt ra thách thức rất lớn trong việc đầu tư trang thiết bị thực hành, thínghiệm đầy đủ cho các chương trình đào tạo Với kinh phí đầu tư trang thiết bị khá hạnchế trong khi chi phí đầu tư các rất cao thì nhiều học phần thực hành, thí nghiệm hiện vẫnchưa có trang thiết bị thực hành nên việc triển khai thực hành, thí nghiệm chưa thực sựhiệu quả

- Để giảm gánh nặng đầu tư trang thiết bị thực hành, thí nghiệm cũng như kịp thờitạo ra các bộ thực hành, thí nghiệm đáp ứng nhu cầu cho sinh viên thì hiện nay nhiềugiảng viên đã thực hiện xây dựng các bộ thực hành thí nghiệm trên cơ sở các đề tàinghiên cứu khoa học Tại Khoa Điện – Điện tử, học phần thực hành Vi điều khiển hiệnnay đang triển khai trên KIT EASY 8051 hoặc các board cắm không có tính trực quan vàchưa thực sự đúng đối tượng thực hành Học phần Thực hành điều khiển ghép nối thiết bịngoại vi thì hoàn toàn chưa có thiết bị thực hành mà tận dụng thiết bị thực hành của Viđiều khiển để phát triển thêm Các học phần này đều là 2 tín chỉ giảng dạy cho sinh viênngành Tự động hoá, Điện – Điện tử và ngành Điện tử viễn thông với số lượng hơn 300sinh viên/năm

- Với mong muốn tạo ra các bộ thực hành hiệu quả cho học phần Thực hành Viđiều khiển, Thực hành điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi, chúng tôi đề xuất đề tài

“Thiết kế và chế tạo bộ thực hành vi điều khiển và ghép nối thiết bị ngoại vi cho sinhviên các ngành thuộc Khoa Điện – Điện tử” Ngoài ra, trên bộ thực hành này, chúng tôicòn tính đến vấn đề khả năng sử dụng để dạy thực hành cho các học phần liên quan đến

Kỹ thuật điều khiển như: Kỹ thuật điều khiển tự động, Điều khiển thông minh, Điềukhiển bền vững,…

3 Mục tiêu

- Thiết kế và chế tạo bộ thực hành cho học phần Thực hành Vi điều khiển và Thựchành ghép nối thiết bị ngoại vi

- Xây dựng tài liệu hướng dẫn cho học phần Thực hành Vi điều khiển và Thực hànhghép nối thiết bị ngoại vi trên cơ sở bộ thực hành trên.

4 Cách tiếp cận

Tiếp cận từ đề cương chi tiết học phần và các bộ thực hành đã có để xây dựng

bộ thực hành đáp ứng nội dung thực hành

5 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên đề cương chi tiết học phần các học phần thực hành thực hành Thựchành Vi điều khiển và Thực hành ghép nối thiết bị ngoại vi để xác định phần cứngcủa bộ thực hành Dựa trên các bộ thực hành có sẵn để tham khảo hình thức bênngoài của bộ thực hành Từ đó xây dựng thiết kế tổng thể trên Altium và có cái nhìntổng quan về bộ thực hành Từ đó xuất file mạch in 2 lớp, đặt gia công và tiến hànhlắp ráp bộ thực hành

6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Bộ thực hành cho học phần Thực hành Vi điều khiển và Thực hành ghép nốithiết bị ngoại vi

Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu xây dựng bộ thực hành và tài liệu hướng dẫn bài thực hành Thựchành Vi điều khiển và Thực hành ghép nối thiết bị ngoại vi phù hợp với nội dunggiảng dạy tại Khoa Điện – Điện tử

7 Nội dung nghiên cứu

Mở đầu: Nghiên cứu tổng quan về đề tài

Chương 1: Cơ sở xây dựng bộ thực hành

Chương 2: Thiết kế và chế tạo phần cứng của bộ thực hành

Chương 3: Xây dựng các bài hướng dẫn thực hành dựa trên phần cứng

Chuơng 4: Xây dựng các chương trình mẫu cho các bài thực hành

Kết luận và hướng phát triển

Bộ thực hành gồm 11 mô đun thực hành vi điều khiển và thực hành Điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi sau:

Mô đun vi điều khiển 8051

Mô đun nhập dữ liệu

Mô đun hiển thị

Mô đun điều khiển động cơ

Mô đun thực hành giao thức I2C

Mô đun thực hành giao thức UART

Mô đun thực hành giao thức 1-wire

Mô đun thực hành giao thức SPI

Mô đun thực hành ADC-DAC

Mô đun thực hành mở rộng đầu vào

Mô đun thực hành mở rộng đầu ra

1 CƠ SỞ XÂY D NG ỰNG BỘ TH C ỰNG HÀNH 1.1 Tổng quan về vi điều khiển 8051

1.1.1 Tổng quan về vi điều khiển

Các bộ vi điều khiển được chế tạo và phát triển trên nền tảng các bộ vi xử lý.Ngày nay, vi điều khiển đang được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điều khiển côngnghiệp, các thiết bị điện, điện tử dân dụng như máy điều hòa nhiệt độ, máy giặt, bảngquang báo, thiết bị điện tử nghe nhìn, hệ thống điều khiển trên ô tô, các hệ thống tự động,

… Số lượng các bộ vi điều khiển được sản xuất hàng năm gấp nhiều lần số lượng các bộ

vi xử lý Việc sử dụng các bộ vi điều khiển cùng với các lý thuyết điều khiển hiện đại làmthay đổi hẳn kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại, giúp cho con người tạo nên các thiết bịngày càng thông minh hơn

Vi điều khiển (Microcontroller) là một IC (Integrated Circuit - vi mạch tích hợp)tích hợp các thành phần cơ bản của hệ vi xử lý trên cùng 1 chip (Chipset) duy nhất Năm

1976, hãng Intel giới thiệu bộ vi điều khiển 8748, mở đầu cho họ vi điều khiển MCS-48

8748 là một vi mạch chứa hơn 17.000 transistor bao gồm một CPU, 1KB bộ nhớ EEPROM,64B RAM, một bộ định thời 8 bit và 27 chân vào/ra 8748 và các vi điều khiển tiếp sau

nó trong họ MCS-48 đã được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng hướng điều khiển nhưtrong máy giặt, ô tô, các thiết bị ngoại vi của máy tính,… Sau đó, các bộ vi điều khiểnmới liên tục được các hãng như Intel, Atmel, Siemens,… cho ra đời và được sử dụng chocác ứng dụng nhúng

Trước đây người ta thực hiện việc thiết kế các hệ thống số với hàng chục, thậmchí hàng trăm vi mạch số Việc chuyển sang thiết kế sử dụng vi điều khiển cho phép thựchiện các hệ thống tương đương với một vài linh kiện phụ trợ làm cho thời gian phát triểnngắn hơn, độ tin cậy của hệ thống cao hơn, công suất tiêu thụ thấp hơn Tuy nhiên, cácgiải pháp dựa trên vi điều khiển không thể cho tốc độ xử lý tín hiệu nhanh như các giảipháp sử dụng các vi mạch số vì hệ thống dựa trên vi điều khiển thường xuyên phải thựchiện chu trình “đọc - giải mã - thi hành lệnh”, trong khi với các hệ thống dựa trên các vimạch số thì tín hiệu chạy trực tiếp từ đầu ra của phần tử này đến đầu vào của phần tử kiavới thời gian trễ không đáng kể

Với hệ thống dựa trên vi điều khiển, muốn cải thiện được tốc độ, ngoài việc tối

ưu hóa chương trình điều khiển thì phải cải tiến kiến trúc và tốc độ của vi điều khiển nêngiá

thành của hệ thống sẽ tăng mạnh Mặc dù vậy, với đa số các ứng dụng mà tốc độ không

phải là yêu cầu khắt khe thì việc thiết kế dựa trên vi điều khiển vẫn là một trong những giải pháp tốt và ngày càng trở nên phổ biến.

1.1.2 Một số họ vi điều khiển thông dụng

Vi điều khiển của Atmel

Atmel là một hãng cung cấp vi điều khiển lớn, sản phẩm vi điều khiển của Atmelgồm:

- Dòng vi điều khiển dựa trên kiến trúc 8051 của Intel như 83xx, 87xx, 89xx,…

- Dòng vi điều khiển AT91CAP như: AT91CAP7S250A, AT91CAP7S450A, với tần số hoạt động từ 80 đến 200 MHz, 2 đến 4 kênh PWM, 10 kênh ADC 10bit, ghép nối được với các mô đun SDRAM ngoài

- Dòng vi điều khiển AT91SAM 32-bit ARM - based với bộ nhớ chương trình cóthể tới 2 MB, tần số hoạt động đến 240 MHz

- Dòng AVR 8-bit kiến trúc RISC như: AT90PWM1, ATmega128, ATmega16,ATmega32,…

- Dòng AVR32 32-bit MCU/DSP như: AVR 32 UC3A, AVR 32 UC3B,… lànhững bộ vi điều khiển 32 bit có thêm các lệnh xử lý tín hiệu số để xử lý âmthanh, hình ảnh

- Dòng FPSLIC như: AT94K05L, AT94K10L, ATFS 40,… Đây là sự kết hợp viđiều khiển AVR với mảng cổng logic lập trình FPGA trên một chip rất phù hợp

để tạo ra các hệ thống số trên một chip duy nhất

- Dòng vi điều khiển 4 bit cho các ứng dụng đơn giản MARC4 như: ATAM510,ATAR940,…

Vi điều khiển của Microchip

- Dòng 8 bit như: PIC10, PIC12, PIC14, PIC16, PIC18 với bộ nhớ kiểu flash, OTP, ROM hoặc ROMless dung lượng từ 0,5 đến 256 KB

- Dòng 16 bit như PIC24F, PIC24H

- Dòng xử lý tín hiệu số 16 bit như dsPIC30Fxxxx, dsPIC33FJxxxx

Vi điều khiển của Cypress

Cypress nổi tiếng với dòng sản phẩm PsoC là những vi mạch có tích hợp vi điềukhiển, các linh kiện tương tự (các bộ khuếch đại, các bộ biến đổi A/D, D/A, các bộ lọc,các bộ so sánh,…) và các linh kiện số (bộ định thời, bộ đếm, bộ tạo xung PWM, SPI,

UART, I2C,…) trên một chip duy nhất Việc tích hợp hàng trăm khối chức năng cùngvới một bộ

vi điều khiển trên một chip cho phép giảm thời gian thiết kế, thu gọn kích thước, giảmcông suất tiêu thụ và giảm giá thành sản phẩm.

Vi điều khiển của Hitachi

H8 là dòng vi điều khiển được phát triển bởi Hitachi được sản xuất bởi RenesasTechnology H8 gồm các dòng sản phẩm H8/300, H8/300H, H8/500, H8S (vi điều khiển

16 bit) và H8SX (vi điều khiển 32 bit kiểu CISC) Các vi điều khiển họ H8 được sử dụngrộng rãi trong các sản phẩm dân dụng và công nghiệp như: tivi, đầu ghi DVD, camera,PLC, biến tần,…

Vi điều khiển của Motorola

Motorola sản xuất dòng vi điều khiển 68xx như 6801, 6805, 6809, 6811,… Tiêubiểu như 68HC11 là một bộ vi điều khiển 8 bit; 16 bit địa chỉ; tập lệnh tương thích vớicác phiên bản trước như: 6801, 6805, 6809; có tích hợp bộ biến đổi A/D, bộ tạo xungPWM, cổng truyền thông đồng bộ/không đồng bộ RS232, SPI

Vi điều hiển của Maxim

Các sản phẩm vi điều khiển do Maxim cung cấp gồm:

- Vi điều khiển MAXQ 16 bit kiến trúc RISC như: MAXQ3212, MAXQ2000

- Các sản phẩm dựa trên kiến trúc 8051 của Intel như vi điều khiển tích hợp đồng

hồ thời gian thực DS87C530, vi điều khiển tích hợp bộ biến đổi A/D 10 bitDS80CH11, vi điều khiển tích hợp giao tiếp mạng Ethernet DS80C400, DS80C430(phù hợp thiết kế camera IP, các trạm đo, điều khiển phân tán AM như: DS5250,DS2250, DS22652,…)

1.1.3 Lịch sử phát triển của bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển

Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điện tử mà đặc trưng là kỹthuật vi xử lý đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của khoa học tínhtoán, điều khiển và xử lý thông tin Kỹ thuật vi xử lý đóng một vai trò rất quan trọngtrong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống và khoa học kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực tin học

và tự động hóa

Năm 1971, hãng Intel đã cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên trên thế giới tên gọi làIntel-4004, nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết của một công ty kinh doanh là hãng truyềnthông BUSICOM Intel-4004 là kết quả của một ý tưởng quan trọng trong kỹ thuật vi xử

lý số Đó là một kết cấu logic mà có thể thay đổi được chức năng của nó bằng chươngtrình

ngoài chứ không phát triển theo hướng tạo ra một cấu trúc cứng chỉ thực hiện một số chức năng nhất định như trước đây.

Sau đó, các bộ vi xử lý mới liên tục được đưa ra thị trường và ngày càng được phát triển, hoàn thiện hơn trong các thế hệ sau:

- Vào năm 1971, hãng Intel đưa ra bộ vi xử lý 8 bit đầu tiên với tên Intel-8008

- Năm 1975, hãng Intel chế tạo bộ vi xử lý 8 bit 8080 và 8085

- Cũng vào khoảng thời gian 1975, một loạt các hãng khác trên thế giới cũng đãgiới thiệu các bộ vi xử lý tương tự như 6800 của Motorola với 5000 tranzitor,Signetics 6520, 1801 của RCA, kế đến là 6502 của hãng MOS Technology vàZ80 của hãng Zilog

- Năm 1978 xuất hiện Intel 8086 là loại bộ vi xử lý 16 bit với 29.000 tranzitor,Motorola 68000 tích hợp 70.000 tranzitor, APX 432 chứa 120.000 tranzitor Bộ

vi xử lý của Hewlet Pakard có khoảng 450.000 tranzitor Từ năm 1974 đến năm

1984 số tranzitor tích hợp trong một chip tăngkhoảng 100 lần

- Năm 1992, xuất hiện Intel 80586 (còn gọi là Pentium 64 bit) chứa 4 triệu tranzitor

- Năm 1983, Intel đưa ra bộ vi xử lý 80286 dùng trong các máy vi tinh họ AT(Advanced Technology) 80286 sử dụng I/O 16 bit, 24 đường địa chỉ và khônggian nhớ địa chỉ thực 16MB Năm 1987, Intel đưa ra bộ vi xử lý 80386 32-bit.Năm 1989, xuất hiện bộ vi xử lý Intel 80486 là cải tiến của Intel 80386 với bộnhớ ẩn và mạch tính phép toán đại số dấu phẩy động

Độ phức tạp, sự gọn nhẹ về kích thước và khả năng của các bộ vi điều khiểnđược tăng thêm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi Intel công bố chip 8051, bộ vi điềukhiển đầu tiên của họ là vi điều khiển MCS-51 Chip 8051 chứa trên 60.000 transistorbao gồm 4K byte ROM, 128 byte RAM, 32 đường xuất nhập, 1 port nối tiếp và 2 bộ địnhthời 16- bit trong một IC đơn

Từ các bộ vi xử lý ban đầu chỉ là các bộ xử lý trung tâm trong một hệ thống,không thể hoạt động nếu thiếu các bộ phận như RAM, ROM, bo mạch chủ, các hãng đãphát triển các bộ vi xử lý này lên thành các bộ vi điều khiển để phục vụ các mục đíchriêng biệt, khác nhau trong công nghiệp Một bộ vi điều khiển là một hệ vi xử lý thật sựđược tổ chức trong một chip (trong một vỏ IC) bao gồm một bộ vi xử lý, bộ nhớ chươngtrình ROM, bộ

nhớ dữ liệu RAM Ngoài ra, trên chip còn có bộ xử lý số học-logic (ALU) cùng với các

định thời, Tuy dung lượng RAM không lớn như ở các máy tính nhưng đây không phải

là một hạn chế vì các bộ vi điều khiển được thiết kế cho một mục đích hoàn toàn khác.Hiện nay, các bộ vi điều khiển được sử dụng rất rộng rãi và ngày càng được chuẩn hóa để

có thể sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, có mặt trong nhiều máy móc, trongcác hàng tiêu dùng

1.1.4 Tổng quan về vi điều khiển 8051

Bên cạnh dòng 8051 thì họ 8051 còn có 2 thành viên khác là dòng 8052 và dòng

8031 Trong đó, dòng 8052 có bộ nhớ lớn hơn gấp 2 lần và có nhiều hơn một bộ định thời

so với dòng 8051; vi điều khiển dòng 8031 thì sử dụng ROM ngoài lên đến 64K byte đểchứa chương trình hoạt động

Dòng vi điều khiển 8052

Là một thành viên của họ 8051, dòng 8052 có tất cả các đặc tính của dòng 8051nhưng sở hữu bộ nhớ lớn gấp đôi (8K byte ROM và 256 byte RAM) và có thêm một bộđịnh thời nữa như trong Bảng 1.1 Do vậy, các chương trình viết cho dòng 8051 đều chạytrên dòng 8052

Dòng vi điều khiển 8031

Một thành viên khác của họ 8051 là dòng 8031 Dòng vi điều khiển này thườngđược coi như 8051 nhưng không có ROM trên chip Để sử dụng dòng vi điều khiển nàycần phải kết nối với ROM ngoài chứa chương trình hoạt động của vi điều khiển 8031.Với dòng 8051 thì chương trình hoạt động chứa trong ROM trên chip bị giới hạn bởi 4Kbyte, còn ROM ngoài được gắn vào vi điều khiển 8031 thì có thể lớn đến 64K byte Tuynhiên, để giao tiếp với ROM ngoài thì dòng vi điều khiển 8031 cần sử dụng hai cổng (16chân) vào/ra trong tổng số 4 cổng vào/ra Để tăng số lượng chân vào/ra cho các mục đíchkhác thì có thể mở rộng cổng vào/ra cho dòng 8031 bằng cách sử dụng vi mạch PPI 8255

Bảng 1.1 So sánh các đặc tính của các thành viên họ 8051

ROM trênchip

4K byte 8K byte Không

cóRAM 128 byte 256 byte 128 byte

a) Bộ vi điều khiển 8751

Bộ vi điều khiển 8751 chỉ có 4K byte bộ nhớ UV-EPROM trên chip Để sử dụng

bộ vi điều khiển này cần có bộ đốt PROM và bộ xóa UV-EPROM để xóa nội dung của

bộ nhớ UV-EPROM bên trong 8751 trước khi ta có thể lập trình lại nó Do ROM trênchip đối với 8751 là UV-EPROM nên cần phải mất 20 phút để xóa 8751 trước khi nó cóthể được lập trình trở lại Điều này dẫn đến nhiều nhà sản xuất giới thiệu các phiên bảnFlash ROM và UV-RAM Ngoài ra, còn có nhiều phiên bản với các tốc độ khác nhau của

8751 từ nhiều hãng khác nhau

b) Bộ vi điều khiển AT8051 từ Atmel Corporation

Một số phiên bản 8051 do hãng Atmel sản xuất được thể hiện trong Bảng 1.2 vớicác thông tin về bộ nhớ, chân vào/ra, bộ định thời, ngắt và kiểu đóng vỏ Trong đó,AT89X51 là phiên bản 8051 có ROM trên chip dạng bộ nhớ Flash Phiên bản này là lýtưởng đối với những phát triển nhanh vì bộ nhớ Flash có thể được xóa trong vài giây.Dùng AT89C51 để phát triển một hệ thống dựa trên bộ vi điều khiển yêu cầu một bộ đốtROM hỗ trợ bộ nhớ Flash, không yêu cầu bộ xóa ROM Hãng Atlmel đã cho ra đời mộtphiên bản của AT89C51 có thể được lập trình qua cổng truyền thông COM của máy tínhIBM

Bảng 1.2 Các phiên bản của 8051 do hãng Atmel cung cấp (Flash ROM)

I/O

Bộ định thời Ngắt Vcc

Đóng vỏ

AT89C51 byte4K byte128 32 2 6 5V

40chân, 2hàng

AT89LV51 byte4K byte128 32 2 6 3V

40chân, 2hàngAT89C1051 byte1K byte64 15 1 3 3V chân, 220

hàng

20chân, 2hàng

40chân, 2hàngAT89LV52 byte8K byte128 32 3 8 5V chân, 240

hàngAT89C2051 là bộ vi điều khiển 8 bit được chế tạo theo công nghệ CMOS, có thểhoạt động được ở dải điện áp từ 2,7 V đến 6 V Bộ vi điều khiển này được đóng gói DIP

20 chân, khá nhỏ gọn so với AT89X51/52 nhưng vẫn có đủ các tài nguyên thông dụngnhư: bộ nhớ ROM 2K byte Flash có thể ghi/xóa được 1000 lần; 128 byte RAM; có thểhoạt động ở tần số thạch anh lên tới 24 MHz; 15 chân vào/ra; 2 bộ định thời 16 bit; 6nguồn ngắt; 1 cổng nối tiếp; 1 bộ so sánh

AT89C4051 có sơ đồ chân và các tài nguyên giống AT89C2051, ngoại trừ bộnhớ ROM có dung lượng lớn hơn (4K byte) AT89S52 là bộ vi điều khiển thông dụng,giá rẻ và có nhiều chức năng hữu ích, đặc biệt là có tích hợp sẵn bộ nạp ISP trên chipgiúp người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện các bài thí nghiệm với chi phí rất thấp

Cũng có những phiên bản ký hiệu thể hiện kiểu đóng vỏ và tốc độ khác nhau củasản phẩm Ví dụ, chữ C đứng trước số 51 trong AT89C51-12PC là ký hiệu cho CMOS,

12 ký hiệu cho 12 MHz và P là kiểu đóng vỏ DIP và chữ cuối C là ký hiệu cho thươngmại (nếu là chữ M có nghĩa là quân sự) Thông thường AT89C51-12PC rất thích hợp chocác dự án nhỏ của học sinh và sinh viên

1.2 Định hướng giảng dạy vi điều khiển và điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi tại Khoa Điện – Điện tử

Như đã trình bày ở trên, vi điều khiển có nhiều họ, trong mỗi họ có nhiều dòng

và trong mỗi dòng có nhiều phiên bản cũng như nhiều hãng sản xuất khác nhau,… Mỗi

họ vi điều khiển có các ưu nhược điểm khác nhau nên việc lựa chọn họ vi điều khiển đểgiảng dạy là một vấn khá phức tạp và khác nhau giữa các trường và thậm chí là giữacác khoa

trong trường.

Tại khoa Điện – Điện tử, nhóm giảng viên giảng dạy vi điều khiển cũng đã họpcùng lãnh đạo khoa để định hướng giảng dạy phù hợp với định hướng ứng dụng của nhàtrường và phù hợp với năng lực cần đạt được của hệ kỹ sư Trong đó, xác định cần giảngdạy để sinh viên nắm rõ từ nguyên lý, cấu trúc, cách thức hoạt động của vi điều khiển, từ

đó lập trình can thiệp đến từng thanh ghi thậm chí là từng bit của vi điều khiển Đây làkiến thức và kỹ năng cốt lõi mà một kỹ sư cần có để nhanh chóng tiếp cận, áp dụng, pháttriển cho bất kỳ dòng vi điều khiển khác Với định hướng đó, chúng tôi đã quyết địnhgiảng dạy vi điều khiển cho họ 8051 cho sinh viên thuộc các ngành đào tạo tại Khoa Điện

– Điện tử.Các học phần tiếp theo liên quan đến Kỹ thuật vi điều khiển bao gồm Thực hành

vi điều khiển, đồ án vi điều khiển, điều khiển và ghép nối thiết bị ngoại vi, thực hành điềukhiển và ghép nối thiết bị ngoại vi, đồ án tốt nghiệp Trong đó, học phần kỹ thuật vi điềukhiển và thực hành vi điều khiển, điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi, thực hành điềukhiển ghép nối thiết bị ngoại vi được áp dụng cho dòng 8051 để sinh viên hiểu căn bản từgốc Các học phần Đồ án vi điều khiển, đồ án tốt nghiệp sinh viên có thể tuỳ chọn vi điềukhiển phù hợp để tiếp cận công nghệ phù hợp với định hướng ứng dụng của nhà trường

Về học phần Kỹ thuật vi điều khiển, để sinh viên nắm rõ được hoạt động của viđiều khiển cũng như phát triển tư duy, trong đề cương chi tiết học phần vi điều khiển,chúng tôi hướng dẫn lập trình bằng ngôn ngữ bậc thấp là ASM trong nửa đầu của họcphần Để phù hợp với định hướng ứng dụng, tiếp cận công nghệ thì ngôn ngữ C được ápdụng trong nửa sau của học phần Trong mỗi ví dụ đều thể hiện bằng song ngữ (C vàASM) để sinh viên thấy được sự tương đồng và củng cố kiến thức liên quan đến cấu tạo,hoạt động cũng như ngôn ngữ ASM

Học phần thực hành vi điều khiển nhằm áp dụng kiến thức của Kỹ thuật vi điềukhiển để lập trình vào ra cho vi điều khiển 8051 Trong đó đầu vào là các nút nhấn và đầu

ra là các đèn LED, LED 7 Đoạn Trong học phần này sinh viên có thể sử dụng ngôn ngữASM hoặc C để thực hiện các bài thực hành

Học phần đồ án vi điều nhằm vận dụng kiến thức về vi điều khiển để thiết kế vàchế tạo một công đoạn hoặc một hệ thống tự động hoặc thông minh trong thực tế Họcphần này sinh viên có thể tuỳ chọn vi điều khiển và ngôn ngữ để sử dụng

Học phần Điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi nhằm thực hiện ghép nối giữa viđiều khiển với các đối tượng bên ngoài Bao gồm việc ghép nối TTL-CMOS, chuyển đổi

tương tự và số ADC-DAC, mở rộng vào ra, giao tiếp nối tiếp theo các giao thức UART,

SPI, I2C và 1-Wire Trong học phần này sinh viên có thể dùng ngôn ngữ ASM hoặc C đểlập trình.

Học phần Thực hành điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi nhằm vận dụng kiếnthức điều khiển ghép nối thiết bị ngoại vi để thực hiện các bài thực hành tương ứng với lýthuyết Trong học phần này sinh viên sử dụng vi điều khiển 8051 và ngôn ngữ ASM hoặc

C để lập trình

1.3 Đề cương chi tiết học phần

1.3.1 Học phần thực hành vi điều khiển [1]

CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC ĐẠI HỌC

Trình độ đào tạo: Đại học Ngành: CN KTĐK và tự động hóa Mã ngành: 7510303

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN

1 Mã học phần: 5505085 Tên học phần: TH Vi điều khiển

Tên tiếng Anh: Microcontroller practice

5 Điều kiện tham gia học phần:0

trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051 bằng phần mềm Keil-C với ngôn ngữASSEMBLY và C Qua môn học này, sinh viên biết cách tạo Project, tạo file và thêm filevào project; biết cách dịch chương trình ra file Hex và nạp chương trình vào vi điềukhiển; thực hành với các lệnh điều khiển động cơ-đèn; điều khiển led đơn; đọc nút nhấn;điều khiển led 7 đoạn; tạo ứng dụng đồng hồ số bằng led 7 đoạn; sử dụng thành thụctimer/counter và các ngắt của vi điều khiển để lập trình đa tác vụ.

8 Mục tiêu học phần:

Kiến thức - Trang bị cho người học các kiến thức cơ bản về việc sử dụng phần mềmKeil C, phần mềm và mạch nạp chương trình cho vi điều khiển 8051; kiến

thức cơ bản về các thiết bị ngoại vi: LED 7 đoạn, LCD, DS1307

Kỹ năng

- Có khả năng làm việc nhóm để thảo luận và giải quyết các vấn đề liên quanđến kỹ thuật vi điều khiển

- Có khả năng làm việc nhóm hiệu quả

- Bảo dưỡng, phát hiện và sửa lỗi phần cứng và chương trình cho hệ thống tựđộng dùng vi điều khiển

Thái độ - Có ý thức tự học, tự nghiên cứu.

- Có ý thức kỷ luật trong quá trình học; tinh thần hợp tác khi làm việc nhóm

9 Chuẩn đầu ra học phần (CLO): Sau khi kết thúc học phần, sinh viên có khả

năng

C1 Xây dựng các mạch ứng dụng để đọc tín hiệu cảmbiến đầu vào và điều khiển các thiết bị ngoại vi.

• I (Introduced) – CLO có hỗ trợ đạt được PLO và ở mức giới thiệu/bắt đầu

• R (Reinforced) – CLO có hỗ trợ đạt được PLO và ở mức nâng cao hơn mức bắt đầu, có nhiều cơ hội được thực hành, thí nghiệm, thực tế, …

• M (Mastery) – CLO có hỗ trợ cao đạt được PLO và ở mức thuần thục/thông hiểu

• A (Assessed) – Học phần quan trọng (hỗ trợ tối đa việc đạt được PLO) cần được thu thập minh chứng để đánh giá CĐR CTĐT.

11 Cấu trúc học phần:

Học phần được tổ chức giảng dạy trong 15 tuần: 1 buổi/tuần, 04 tiết/buổi

12 Lịch trình, nội dung và phương pháp giảng dạy học phần:

Số tiết (LT/ThH )

Phương pháp giảng dạy

Hoạt động học tập của sinh viên

đề, thảoluận nhóm

Trên lớp:

giảng+ Ghi chép

C1,C2,C3,C4,C5

+ Tham giathảo luậnnhóm

+ Lập trình

Về nhà:

+ Ôn bài+ Nghiêncứu bài mới

theo phương pháp thăm dò

2.4 Thay đổi hiệu ứng

điều khiển LED đơn sử

dụng nút nhấn

1-3 +Thuyết

giảng+ Đặt vấn

đề, thảoluận nhóm+ Giải đáp,

hỗ trợ sửalỗi

Trên lớp:

giảng+ Ghi chép+ Tham giathảo luậnnhóm

+ Lập trình

Về nhà:

+ Ôn bài

C1,C2,C3,C4,C5

3

Ôn tập và kiểm tra lần 1 0-4 Về nhà:

+ Nghiêncứu bài mới

C1,C2

hỗ trợ sửalỗi

Trên lớp:

+ Ghi chép+ Tham giathảo luậnnhóm

+ Lập trình

Về nhà:

C1,C2,C3,C4

3.3 Lập trình kết hợp 2 bộ

định thời

+ Ôn bài+ Nghiêncứu bài mới

4.4 Thay đổi hiệu ứng và

các tham số điều khiển

LED đơn sử dụng nút

nhấn

0-8 + Đặt vấn

đề, thảoluận nhóm+ Giải đáp,

hỗ trợ sửalỗi

Trên lớp:

+ Ghi chép+ Tham giathảo luậnnhóm

+ Lập trình

Về nhà:

+ Ôn bài

C1,C2,C3,C4,C5

7

Ôn tập và kiểm tra lần 2 0-4 Về nhà:

+ Nghiêncứu bài mới

C1,C2

8,9

Bài 5: Lập trình LED 7

đoạn

5.1 Hiển thị LED 7 đoạn

5.2 Quét LED 7 đoạn

5.3 Hiển thị một biến số

lên LED 7 đoạn

5.4 Tạo và hiển thị thời

gian lên LED 7 đoạn

5.5 Thay đổi thời gian

đề, thảoluận nhóm+ Giải đáp,

hỗ trợ sửalỗi

Trên lớp:

giảng+ Ghi chép+ Tham giathảo luậnnhóm

+ Lập trình

Về nhà:

+ Ôn bài+ Nghiêncứu bài mới

C1,C2,C3,C4,C5