Nghiên cứu và thiết kế bộ KIT 8051

Nghiên cứu và thiết kế bộ KIT 8051 TÓM TẮT Bài báo đề xuất phương án chế tạo một thiết bị thí nghiệm với đầy đủ các thành phần cơ bản của một hệ vi điều khiển và các ngoại vi, trên đó có thể thực hiện các bài thí nghiệm từ cơ bản đến nâng cao, đáp ứng được yêu cầu thí nghiệm môn học Kỹ thuật Vi điều khiển, phù hợp với chương trình đào tạo ở các trường đại học, cao đẳng ở nước ta. Đi kèm với sản phẩm phần cứng là các chương trình phần mềm cho phép người sử dụng lập trình thực hiện các bài thí nghiệm từ bàn phím của thiết bị hoặc từ trên máy vi tính kết nối với thiết bị.

CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VI ĐIỀU KHIỂN

SỬ DỤNG CHIP VI ĐIỀU KHIỂN AT89S8252

MANUFACTURING TESTING EQUIPMENT FOR MICROCONTROLLER SYSTEMS USING MICROCONTROLLER AT89S8252

LÊ TẤN DUY – LÊ TIẾN DŨNG

Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT

Bài báo đề xuất phương án chế tạo một thiết bị thí nghiệm với đầy đủ các thành phần cơ bản của một hệ vi điều khiển và các ngoại vi, trên đó có thể thực hiện các bài thí nghiệm từ cơ bản đến nâng cao, đáp ứng được yêu cầu thí nghiệm môn học "Kỹ thuật Vi điều khiển", phù hợp với chương trình đào tạo ở các trường đại học, cao đẳng ở nước ta Đi kèm với sản phẩm phần cứng là các chương trình phần mềm cho phép người sử dụng lập trình thực hiện các bài thí nghiệm từ bàn phím của thiết bị hoặc từ trên máy vi tính kết nối với thiết bị.

ABSTRACT

The article proposes a method to manufacture testing equipment with complete elements of a microcontroller system and peripheral devices, in which users can experiment exercises from fundamental to advanced levels, satisfying the requirements of testing for “Microcontroller Technology” subject in accordance with the training curricula of many universities, colleges in VietNam Enclosed with the equipment are software allowing the users to program experimental exercises using the equipment keyboard or the computers connected with the equipment

1 Đặt vấn đề

Môn học Kỹ thuật Vi xử lý, Kỹ thuật Vi điều khiển là môn học căn bản quan trọng đối với sinh viên các ngành Tự động - Đo lường, Điện tử, Tin học Dựa trên nền tảng của môn học Kỹ thuật Vi xử lý, Kỹ thuật Vi điều khiển, sinh viên sẽ tiếp thu những môn học kỹ thuật chuyên ngành quan trọng khác và tiếp cận dễ dàng hơn với những công nghệ, trang thiết bị hiện đại Thiết bị thực hành để phục vụ cho môn học là rất cần thiết, nhưng hiện nay các thiết

bị thí nghiệm mua của nước ngoài thì đắt tiền mà không khai thác được hiệu quả do linh kiện

và nội dung các bài thí nghiệm không phù hợp với chương trình đào tạo ở nước ta

Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên, chúng tôi nghiên cứu và đề xuất phương án chế tạo một thiết bị thí nghiệm Vi điều khiển với đầy đủ các thành phần cơ bản của một hệ vi điều khiển và các ngoại vi, trên đó có thể thực hiện các bài thí nghiệm từ cơ bản đến nâng cao, đáp ứng được yêu cầu thí nghiệm môn học "Kỹ thuật Vi điều khiển", phù hợp với chương trình đào tạo ở các trường đại học, cao đẳng ở nước ta Đi kèm với sản phẩm phần cứng là các chương trình phần mềm điều hành cho phép người sử dụng lập trình thực hiện các bài thí nghiệm từ bàn phím của thiết bị hoặc từ trên máy vi tính kết nối với thiết bị

2 Phân tích yêu cầu đối với thiết bị

+ Phần cứng: Bởi vì mục đích của sản phẩm là phục vụ cho việc đào tạo nên cấu hình

phần cứng phải rõ ràng, dàn trải Kích thước của thiết bị gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển và bảo quản Các thành phần của hệ vi điều khiển phải được thể hiện rõ ràng, dễ nhận biết

+ Các thành phần của thiết bị: Thiết bị có đầy đủ các thành phần cơ bản của một hệ vi

điều khiển và các nguồn tài nguyên ngoại vi phong phú, cho phép người sử dụng có thể tự do phát triển các ứng dụng của mình:

ngoại vi mở rộng lập trình được

 Giao tiếp bàn phím.

tiếp (COM) và song song (LPT)

+ Các bài thí nghiệm thực hiện trên thiết bị:

khiển, nhập các lệnh và chạy chương trình để xem kết quả thực hiện của các lệnh đó

điều khiển các thành phần ngoại vi trên thiết bị Các bài thí nghiệm thực hiện việc điều khiển một quá trình tương tự hoặc số, ví dụ: Điều khiển hiển thị đèn LED, LED 7 thanh, ma trận LED, điều khiển vào/ra số - tương tự, điều khiển động cơ bước

+ Thực hiện các bài thí nghiệm:

một hệ thống các bài tập mẫu được xây dựng cho các ứng dụng trên thiết bị như điều khiển các thành phần ngoại vi của thiết bị, điều khiển vào/ra tương tự - số Sinh viên có thể đọc hướng dẫn sử dụng và thực hiện các bài tập mẫu này trên thiết bị

thiết bị và sơ đồ bộ nhớ của các thành phần trên thiết bị, sinh viên có thể tự lập trình các bài thí nghiệm theo ý định riêng của mình

+ Công cụ lập trình:

bị bằng mã máy và quan sát kết quả hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng LCD và các cổng vào ra Có khả năng sửa chương trình và thay đổi các tham số từ bàn phím, có thể lưu trữ chương trình hoặc mở một chương trình cũ

phần mềm KEIL để lập các chương trình cho thiết bị từ máy tính bằng ngôn ngữ C hoặc Assembly sau đó biên dịch thành file dạng Hexa hoặc Binary rồi nạp xuống

hệ vi điều khiển của thiết bị thực hiện các chương trình đó

+ Công cụ phát triển cho thiết bị:

của cả thiết bị và cho phép lập trình từ bàn phím hoặc từ máy tính để điều khiển thiết bị Người sử dụng có thể tạo một chương trình mới, hoặc có thể mở một chương trình cũ đã lưu từ lần thí nghiệm trước ở trong thiết bị, cho phép soạn thảo lại chương trình, sửa đổi các lệnh nếu gõ sai, cho phép lưu trữ lại chương trình và chương trình lưu trữ không bị mất dữ liệu khi cắt nguồn, Ngoài ra chương trình Monitor của thiết bị còn cho phép xem và sử đổi nội dung của các thanh ghi đặc biệt hoặc nội dung các ô nhớ trong của chip vi điều khiển chính

phát triển ví dụ phần mềm KEIL để gỡ rối cho việc lập trình

3 Nội dung

Sau khi đã nghiên cứu, phân tích các yêu cầu cần thiết đối với thiết bị thí nghiệm Vi điều khiển, chúng tôi đề xuất phương án chế tạo thiết bị như sau:

3.1 Chọn phương án

Chọn họ vi điều khiển làm thành phần trung tâm là họ 8051, vì 8051 là họ vi điều khiển phổ biến nhất hiện nay, được sử dụng rất rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp cũng

như trong việc chế tạo các sản phẩm dân dụng Ngoài ra, họ vi điều khiển 8051 đã xâm nhập vào các phòng thí nghiệm thiết kế của trường trung học, trường đại học, và là một đối tượng

cụ thể cho sinh viên khi bắt đầu nhập môn Vi điều khiển Vì vậy, việc chọn họ 8051 làm thành phần trung tâm của thiết bị là phù hợp với chương trình đào tạo và điều kiện học tập của sinh viên ở nước ta

Vì những lí do trên, và xuất phát từ yêu cầu là thiết kế một thiết bị thí nghiệm Vi điều khiển phục vụ mục đích đào tạo môn học vi điều khiển, ta quyết định chọn phương án sử dụng chip vi điều khiển AT89S8252 của hãng ATMEL để làm thành phần trung tâm điều khiển thiết bị, cùng với các thành phần bộ nhớ ROM, RAM bên ngoài và các thiết bị ngoại vi phong phú

Chip vi điều khiển AT89S8252 cũng thuộc họ 8051, do đó nó có tất cả những đặc trưng cơ bản của họ này Ngoài ra nó có một số đặc điểm mới so với họ 8051 Sau đây là những tính năng bổ sung của 89S8252:

- Ngoài 2 Timer T0 và T1, 89S8252 còn có thêm Timer T2 Timer này có thể làm việc như Timer T0, T1 trong chế độ Reload ngay cả ở lúc làm Timer 16 bit

- AT89S8252 có 8K Flash ROM làm bộ nhớ chương trình và 2K EEPROM làm bộ nhớ dữ liệu Tất cả các vùng nhớ này đều có thể được nạp dữ liệu bằng cổng LPT của máy tính thông qua phương thức ISP Đây là một phương thức nạp dữ liệu vào vi điều khiển rất thuận tiện, không cần mạch nạp riêng Các chân đa chức năng từ P1.4 đến P1.7 của 89S8252 thực hiện giao tiếp ISP này Phần mềm sử dụng để nạp ISP là AEC_ISP của hãng AEC Electronics

- Vi điều khiển AT89S8252 hỗ trợ tần số làm việc đến 24 MHz

- Có hai con trỏ dữ liệu

- Có thể lập trình cho Timer ở chế độ Watchdog Chế độ này cho phép người sử dụng theo dõi trạng thái hoạt động của vi điều khiển

- Có 9 nguồn ngắt với 2 mức ưu tiên khác nhau

- Có chế độ Power Down và Idle để tiết kiệm điện năng của hệ thống

3.2 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị

Hình 1 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị thí nghiệm vi điều khiển

3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý

Sau khi phân tích lựa chọn phương án thiết kế thiết bị thí nghiệm và từ sơ đồ khối thiết lập được như trên, ta tiến hành lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch nguyên lý của thiết bị Để việc thiết kế mạch nguyên lý được dễ dàng và tránh sai sót, ta chia mạch nguyên lý của thiết

bị thành các phần nhỏ được trình bày dưới đây

Trong hệ vi điều khiển của thiết bị, mỗi thành phần thiết bị đều có một địa chỉ cụ thể, người thiết kế cần xác định rõ ràng các địa chỉ này để có thể đảm bảo cho hệ hoạt động và viết chương trình điều hành hoạt động của hệ Người sử dụng cũng cần nắm rõ các địa chỉ này để

có thể lập trình cho các ứng dụng trên thiết bị

Đây là phần điều khiển trung tâm của thiết bị, là bộ phận quan trọng nhất Khối CPU gồm có chip vi điều khiển chính AT89S8252, EEPROM, RAM, mạch chốt, giải mã địa chỉ

VCC

GND

D7

/CS 6_8255

TXD D2

A13

/EA

D6 A0

VCC

J1

NGUON

1

5

SW2 select

D2

D5

XTAL1

/CS 5_8255

U5A

7408

VCC

ADRRESS:

4000H-7FFFH

D0 D1

A2

A5

VCC

A11

D6

A3

GND A4

VCC

VCC

VCC

A2

D0

INTERNAL

A4

RXD

CL1

D3

U3 62256 10

6

25

2

14

28

13

18

20

A0 A4 A8 A10 A14

VCC D0 D4 CS WR

MISO A7

A6 D5 A5

VCC

D3

CPU

IN RXD

D1 A4

A14

VCC

A5 D0

GND

A3

GND

D6

Y1 1

12 MHz

D7

XTAL2

D2

C1.3

RST

/WR T1

-5V

EEPROM

D3

A12

VCC

VCC GND

A15

D3 5VCS

VCC

A0

T0

A1

GND MOSI

D5

/INT1 A10

/CS 7_8255 A7

P2

ISP

5 3 1

VCC

D1

A7

C8.2

R1 1 DIEN TRO DEM

6

10

RAM

VCC

MISO

A8

SCK

/CS LED7THANH

ALE

A13 D2

U7C

7432 9 8

A1 GND

U4 74HC573 2

6

11 19

15

D0 D4 LE OE

Q0 Q4

U7A

7432 1 3

SW1.1

A0

D1 D1

A4

A15 D7

D7

/CS 8_8255

MOSI GND

ADRRESS:

0000H-1FFFH

A8 D0

A14

/WR /INT0

GND

R1.3 1K

A10

C8.3

/PSEN /EA

D6

A11

ALE

D0

/CS 62256

RXD

U2 AT28C64 10

6

25

2

11

16

1

28

20

A0 A4 A8 A10

D0 D4 RDY/BUSY VCC GND

CE OE

D4

SCK

D5

A3

/WR

VCC

D4

RST

+12V

U6A 7404 1 2

U9

74HC138

1

6 15

11

A G1 Y0 Y4

U8 MAX232/SO

1

2

12

C1+

C1-C2+

V+

R1OUT T1IN T1OUT

VCC

A2 GND

R1 2

OUT TXD

D4

/RD

/CS 62256

IN RXD

VCC A12

A1

A13 D6

VCC

C1.2

P1

COM

5 3 1

VCC

A2

A9

R5 1.5K

VCC

GND

A10

D2

A11 /PSEN

U10

74HC138

1

6 15

11

A G1 Y0 Y4

C1 1

D3

U1

AT89S8252

9 19

29 31

1

5

21

25

10

14

39

35

RST XTAL2

PSEN ALE/PROG EA/VPP VCC

P1 0/T2 P1 1/T2-EX P1 2 P1 4/SS P1 5/MOSI P1 7/SCK

P2.0/A8 P2 4/A12 P3.0/RXD P3 2/I NT0 P3.4/T0

P0 0/AD0 P0 4/AD4

D7

GND

EXTERNAL

C8.1

A9

D4

A3

A6

C8.4

D4 -12V

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm của thiết bị

Phần giao tiếp xuất nhập gồm 2 khối: khối hiển thị LCD và khối bàn phím Để giảm bớt khối lượng tính toán cho chip vi điều khiển chính, ở đây ta dùng một chip vi điều khiển loại nhỏ 20 chân rất thông dụng trên thị trường hiện nay là AT89C2051 của hãng ATMEL để

VCC

J_LCD

1 4 7 10 13 16

GND VCC

COL2 5PB6

ADRRESS:

PA1:8000H PB1:8001H PC1:8002H CW1:8003H

GND

GND

R12.3 10k

RLCD1 150

DATA BUS (D0 - D7)

5PB3

C12.3 33p

/CS 5_8255

ROW2

Y12.1

12 MHz

5PB7

C12.1 10uF

C12.2 33p

GND

/WR

ROW4

R12.2 2.2K R12.1 2.2K

A1

GND

/INT1

GND A0

BAN PHIM

5PB1 D1

GND

5PB5

VCC

5PB3

VRLCD1 5k

5PB4 5PB0

GND

5PB5

COL4

GND GND

D5

VCC

VCC

ROW3

5PB0

5PB2 D3

U11

8255

34 31 28

4 1 40 37 19 22 25 15 13 10

5 36 9 35 6

D0

D3

D6

PA0

PA3

PA6

PB0

PB3

PB6

PC0

PC3

PC6

RD A0

RESET

CS

VCC

/RD

VCC

D4

ROW1 GND

COL1

D6

5PB7

COL3

LCD

U12

AT89C2051

1

20 5

12 15 18

2 7 11

RST/VPP

XTAL1

P1.0/AIN0 P1.2

P1.5

P3.0/RXD P3.1/TXD

P3.4/T0 P3.7

D7

RST VCC

VCC

J_BANPHIM

HEADER 10

1 4 7 10

5PB6

5PB1

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp xuất/nhập của thiết bị

Các thành phần ngoại vi khác của thiết bị thí nghiệm như Chuyển đổi tương tự/số, chuyển đổi số/tương tự, hiển thị LED 7 thanh, ma trận LED, vào/ra số… được ghép nối với chip vi điều khiển chính AT89S8252 qua các vi mạch mở rộng ngoại vi có thể lập trình được

0 / RUN 1 2 3 SHIFT

4 / STEP 5 / SAVE 6/ MENU 7/ LOAD 

8255 Các thành phần ngoại vi này được dành cho người sử dụng có thể lập trình điều khiển thông qua bàn phím của thiết bị hoặc từ máy tính kết nối với thiết bị Do giới hạn của bài báo nên không thể hiện sơ đồ nguyên lý ở đây

3.4 Phần mềm cho thiết bị

Để điều khiển hoạt động của thiết bị thí nghiệm ta có các chương trình phần mềm sau:

Chương trình điều hành được nạp vào bộ nhớ EEPROM ngoài của vi điều khiển AT89S8252, có chức năng điều hành hoạt động của thiết bị Do chương trình điều hành của

hệ thống phức tạp và khá lớn nên ta sẽ tổ chức thành nhiều module nhỏ ghép lại với nhau Việc chia thành các module này được thực hiện trên phần mềm KEIL, mỗi module được viết

và lưu trên một file riêng và được liên kết lại với nhau trong một project Mỗi module thực hiện mỗi chức năng riêng, các module trong chương trình điều hành gồm:

+ Module thực hiện việc hiển thị LCD

+ Module ngắt ngoài của bàn phím

+ Module quản lí việc đọc/ghi dữ liệu trong EEPROM và RAM

+ Module tạo thời gian trễ

+ Module định nghĩa các kiểu dữ liệu

+ Chương trình chính (Main)

+ Module điều khiển truy cập các thanh ghi đặc biệt và các ô nhớ bên trong chip vi điều khiển chính

+ Module ngắt truyền thông giao tiếp với máy tính PC

Chương trình quét bàn phím được nạp vào chip vi điều khiển AT89C2051 Bàn phím

sử dụng trong thiết bị gồm có 20 phím, 16 phím đầu tiên được sắp xếp theo kiểu ma trận và 4 phím cuối cùng được xếp theo một cột nối đất chung Trên bàn phím của thiết bị, 4 phím trên một cột nối đất chung là các phím chức năng: SHIFT, UP, DOWN và ENTER Trong đó phím SHIFT có chức năng thay đổi mã bàn phím làm cho bàn phím có thể mở rộng mã đến 39 phím Khi phím SHIFT được nhấn, nó sẽ làm thay đổi nội dung của một thanh ghi bên trong

và làm thay đổi mã của các phím trên bàn phím, khi phím SHIFT được ấn thêm một lần nữa,

mã của các phím lại quay về giá trị cũ

Giao diện bàn phím như sau:

Chức năng các phím:

STEP : Cho phép chạy chương trình từng bước

SAVE : Cho phép cất giữ chương trình

MENU : Cho phép trở lại Menu ban đầu của LCD chọn chế độ làm việc.

dòng

phím SHIFT, chức năng thứ hai của phím được thực hiện

Chương trình giao diện trên máy tính PC làm nhiệm vụ giao tiếp giữa hệ vi điều khiển của thiết bị với máy tính được viết bằng ngôn ngữ Visual C++ 6.0 Giao diện của chương trình trên máy tính PC như hình vẽ Chương trình cho phép nạp chương trình của người sử dụng vào EEPRAM hoặc vào RAM của thiết bị và có thể chạy chương trình ứng dụng đó Trên giao diện của chương trình có thể download file dạng Hexa hoặc file dạng Binary của chương trình xuống thiết bị và có thể upload nội dung bộ nhớ của thiết bị

Hình 4 Giao diện giao tiếp với thiết bị trên máy tính PC

3.5 Sử dụng thiết bị

Với chương trình điều hành được nạp sẵn trên thiết bị, người sử dụng có thể nhập lệnh

từ bàn phím bằng mã máy, có thể mở một chương trình cũ, chạy chương trình, soạn thảo, sửa chữa chương trình, lưu trữ chương trình, xem nội dung các ô nhớ, thanh ghi bên trong Quá trình giao tiếp với thiết bị được hiển thị bằng màn hinh LCD

Với các chương trình lớn và phức tạp thì việc lập trình bằng mã máy từ bàn phím của thiết bị sẽ gặp khó khăn Do đó, người sử dụng dùng các phần mềm lập trình cho vi điều khiển trên giao diện của máy tính để viết chương trình điều khiển các thành phần ngoại vi của

thiết bị, với phần mềm KEIL, ngôn ngữ để lập trình có thể là Assembly hay C, sau đó xuẩt sang dạng file Hexa và sử dụng chương trình giao diện của thiết bị trên máy tính để nạp xuống bộ nhớ EEPROM của thiết bị, lúc này chương trình điều hành trên chip vi điều khiển AT89S8252 sẽ thực hiện ngắt truyền thông

4 Kết luận

Với phương án chế tạo thiết bị thí nghiệm mà bài báo đề xuất đã đáp ứng được các yêu cầu cần thiết cho việc thí nghiệm, thực hành môn học Kỹ thuật Vi điều khiển Chip vi điều khiển AT89S8252 với công nghệ bộ nhớ Flash cho phép nạp chương trình trực tiếp từ máy tính khi thiết bị đang hoạt động mà không cần sử dụng bộ nạp riêng Thiết bị thí nghiệm cho phép người sử dụng có thể dễ dàng phát triển, kết nối điều khiển thêm các thiết bị bên ngoài qua các khối vào/ra số hoặc tương tự Với đặc điểm các thành phần của hệ vi điều khiển của thiết bị cho phép xây dựng và thực hiện các bài thí nghiệm, thực hành không những phù hợp với chương trình đào tạo môn học Kỹ thuật Vi điều khiển tại các trường cao đẳng, đại học ở nước ta mà còn có thể phục vụ cho mục đích nghiên cứu, mở rộng cho một số các ứng dụng khác

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Microcontroller, Addision-Wesley Pub Co; ISBN: 0201633655, 1995

Library reference, User's guide 02.2001.

Programming, McGraw-Hill International Editions, 1992.

Applications, West Publishing Company, Thomson Learning; ISBN: 0314201882,

1996

thuật 1997

Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2004

Khoa học và Kỹ thuật, 2001