Luận văn tốt nghiệp Bộ Giáo Dục và Đào Tạo Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh Trường ĐH Sư Phạm Kó Thuật Khoa Điện Bộ Môn : Điện Tử NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Sinh viên thực hiện : TRẦN ĐẠI NGHĨA Lớp : 95 KĐĐ MSSV : 95101099 Số điện thoại : 8854340 ( Tp.Hồ Chí Minh ). 1/ Tên đề tài : Điện Năng Kế Điện Tử Giao Tiếp Máy Tính 2/ Nội Dung Luận Văn Tốt Nghiệp : Tính toán các thông số kó thuật. Thiết kế phần cứng. Giới thiệu phần mềm. 3/ Các Bản Vẽ: Sơ đồ nguyên lí. 4/ Giáo Viên Hướng Dẫn : Thầy QUÁCH THANH HẢI 5/ Ngày Giao Nhiệm Vụ : 13 / 12 / 1999. 6/ Ngày Hoàn Thành Nhiệm Vụ : 28 / 2 / 2000. Giáo Viên Hướng Dẫn Kí Tên : _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Thông Qua Bộ Môn _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Ngày … tháng … năm 2000. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Chủ nhiệm Bộ Môn _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Quách Thanh Hải _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Luận văn tốt nghiệp 2 LỜI GIỚI THIỆU : Là sinh viên thuộc ngành Điện tử, bản thân người làm đề tài từ lâu đã có mong muốn trước khi ra trường sẽ có cơ hội sử dụng những kiến thức đã học để tạo ra một sản phẩm có ích cho xã hội cũng như chính bản thân và đó cũng là dòp để đánh giá lại kiến thức đã học tập trong suốt quá trình rèn luyện trên giảng đường Đại học. Luận văn tốt nghiệp có lẽ là cơ hội tốt nhất mà nhà trường đã tạo ra để bản thân người làm có dòp thử thách chính mình trước khi tiếp cận với thực tế. Được sự gợi ý của thầy TRẦN SUM, người làm luận văn đã quyết đònh chọn đề tài “Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính”. Trước khi giao đề tài này thầy TRẦN SUM cũng đã hỏi thử có dám làm không vì đây là một đề tài mới. Lúc đó bản thân người làm cũng cảm thấy hơi lo nhưng cũng đã đồng ý nhận đề tài và chỉ biết là sẽ cố gắng hết sức mình. “Điện năng kế điện tử” là một đề tài ứng dụng kó thuật điện tử trong thiết bò đo lường và hiển thò số nhưng đã nâng cao hơn một chút so với các thiết bò đo lường điện tử trước đây là có khả năng tính toán số liệu đã thu thập bằng phần mềm và giao tiếp được với máy tính. Điều này tạo nhiều thuận lợi cho việc sử dụng và điều khiển, và đây cũng là xu hướng chung của các thiết bò ngày nay. Như vậy, khâu cơ bản của đề tài là đo lường các đại lượng điện bằng các phương pháp truyền thống nhưng vì các bộ phận xử lí phía sau là thiết bò số cho nên tuy là vẫn đo đạc các đại lượng đó nhưng phương pháp đã có khác đi chút ít nhằm làm tương hợp với thiết bò điện tử. Khi đã có các đại lượng điện được đo đạc cụ thể thì phần công việc tiếp theo là do phần mềm chòu trách nhiệm xử lí thông qua một thiết bò có khả năng tính toán và xử lí dữ liệu đó có thể là một vi xử lí hoặc một vi điều khiển có sự kết nối với các thiết bò phụ trợ bên ngoài. Đề tài do vậy đã có sự liên quan đến khá nhiều vấn đề lí thuyết, điều này đòi hỏi bản thân người làm phải cần phải tìm tòi và vận dụng. Trong xu thế hiện nay là việc điện tử hóa các thiết bò phục vụ cho con người nhằm ngày càng đáp ứng được trọn vẹn yêu cầu của người dùng, do vậy bản thân người làm đề tài cảm thấy cần phải rèn luyện mình nhiều hơn nữa không chỉ trong luận văn tốt nghiệp ra trường mà một điều còn quan trọng hơn nữa là khi đã ra trường vẫn phải không ngừng phấn đấu. Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 3 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI : Đề tài “Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính” đã được hoàn thành trong thời hạn đã giao. Đối với một đề tài mới thì việc nghiên cứu lần đầu chắc chắn không thể tránh khỏi sự thiếu sót do vậy tuy đã cố gắng nhiều nhưng người làm đề tài vẫn chưa thật sự đáp ứng được hết các yêu cầu đề ra ban đầu, rất mong sự thông cảm của q Thầy, Cô và các bạn sinh viên. Nhìn chung, đề tài đã hoàn thành xong những vấn đề chính yếu nhất và điều đó giúp tạo ra sườn chung cho việc nghiên cứu phát triển sau này. Điều cần làm đối với người kế tục đề tài là nghiên cứu sâu hơn tất cả các vấn đề đã nêu ra trong luận văn tốt nghiệp nhằm tìm ra phương pháp tốt hơn hoặc hoàn chỉnh phương pháp đã nêu, sự gợi ý này chỉ mang tính chất chung chung mà điều cần thiết là phải biết tự suy nghó. Mạch điện đã trình bày chưa phải là một mạch điện hoàn hảo vì việc sử dụng các thiết bò chưa có sự chuẩn hóa mà đều phải tận dụng các thiết bò có sẵn, đây là một điều bắt buộc ngoài ý muốn. Nếu như có thể thì tất cả các bộ phận bên trong điện năng kế điện tử đều được chế tạo chuyên dùng, khi được như vậy thì chắc chắn thiết bò hoạt động sẽ chính xác và bền bỉ hơn nhiều. Nhưng điều này chỉ có thể trở thành hiện thực khi mô hình và lí thuyết tính toán thật chi tiết và chính xác sau đó cần trải qua một thời gian dài thử nghiệm và điều chỉnh. Sau khi đã đạt được tất cả các thông số yêu cầu và được ngành điện lực chấp nhận thì lúc đó mới đặt hàng tại các xí nghiệp điện tử để sản xuất các bộ phận. Đây cũng là điều mong mỏi lớn nhất của người làm đề tài này. Ngoài ra, nếu như phần mềm có thể được viết tốt hơn sẽ thay thế cho một số thiết bò phần cứng bên ngoài, nhưng lúc đó cần phải lưu ý về khả năng hoạt động của khối xử lí không thể nào đáp ứng được tất cả các yêu cầu từ thiết bò bên ngoài mà không cần sự trợ giúp từ một thiết bò phần cứngï. Cần phải lưu ý rằng, công việc quan trọng nhất của khối điều khiển là thu thập tín hiệu tại các đầu dò và xử lí dữ liệu để tính toán ra đại lượng mong muốn là điện năng tiêu thụ, do vậy khi viết phần mềm để đảm nhận những công việc thay thế cho phần cứng bên ngoài tức là khối xử lí sẽ phải gánh vác thêm nhiệm vụ thì có thể gây ra sự sai số quá mức cho phép và lúc đó chương trình sẽ trở nên quá phức tạp. Sinh viên thực hiện đề tài Trần Đại Nghóa Luận văn tốt nghiệp 4 CHƯƠNG 1: TÓM LƯC CÁC VẤN ĐỀ LÍ THUYẾT LIÊN QUAN ĐỀ TÀI Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 5 Đề tài : “Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính” có liên quan đến nhiều vấn đề lí thuyết. Nhưng trong phạm vi của một Luận Văn Tốt Nghiệp, người làm đề tài không thể trình bày chi tiết từng vấn đề được, mà chỉ đề cập đến một cách tóm lược nhằm làm cơ sở cho các lí luận sau này. Do vậy nếu các bạn sinh viên nếu có nhu cầu tìm hiểu sâu hơn hãy nên tham khảo trong các tài liệu chuyên môn của ngành. A. VI ĐIỀU KHIỂN 8951 I . MÔ TẢ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN 8951. 1/ Giới thiệu họ MCS51: MCS51 là một họ IC vi điều khiển (Microcontroller ) do hãng Intel sản xuất. Các IC tiêu biểu cho họ MCS51 là 8051 và 8031. Đặc biệt, vi điều khiển 8951 được sản xuất gần đây mang các đặc điểm sau: 4 Kbytes EEPROM. 128 bytes RAM. 4 ports I/O (Input/Output). 2 bộ đònh thời (timer) 16 bits. Giao tiếp nối tiếp. 64 Kbytes không gian bộ nhớ chương trình mở rộng. 64 Kbytes không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng. Một bộ xử lí luận lí (thao tác trên các bit đơn). 210 bits được đòa chỉ hóa. Bộ nhân chia 4 s. Luận văn tốt nghiệp 6 2/ Sơ lược về các chân của 8951: C 8951 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập. Trong đó có 24 chân có công dụng kép, mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của bus dữ liệu và bus đòa chỉ. 2.1/ Hệ thống giao tiếp port: a/ Port 0: Port 0 là một port hai chức năng trên các chân 32 – 39. 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 lớn với bộ nhớ mở rộng, nó được hợp kênh giữa bus dữ liệu và byte thấp của bus đòa chỉ. Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 7 b/ Port 1: Port 1 là một port I/O trên các chân 1 – 8. Các chân được kí hiệu: P1.0 ; P1.1 ; P1.2 … 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 ngoài. c/ Port 2: Port 2 là một port công dụng kép trên các chân 21 – 28 được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus đòa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng. d/ Port 3: Port 3 là một port công dụng kép trên các chân 10 – 17. Các chân của port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của 8951 như ở bảng sau: Bit Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RXD TXD INT0\ INT1\ T0 T1 WR\ RD\ Dữ liệu nhận cho port nối tiếp Dữ liệu phát cho port nối tiếp Ngắt 0 bên ngoài Ngắt 1 bên ngoài Ngõ vào của Timer/counter 0 Ngõ vào của Timer/counter 1 Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài 2.2/ Các tín hiệu điều khiển: C 8951 có 4 tín hiệu điều khiển: a/ PSEN\ (Program Store Enable): PSEN\ là tín hiệu ra trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng, PSEN\ thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các byte mã lệnh. PSEN\ sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhò phân của chương trình được đọc từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào Luận văn tốt nghiệp 8 thanh ghi lệnh của 8951 để giải mã lệnh. Nếu thi hành chương trình trong ROM nội (8951) thì PSEN\ sẽ ở mức thụ động (mức cao). b/ ALE (Address Latch Enable): Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bò làm việc với các vi xử lí 8085, 8088, 8086. C 8951 dùng ALE một cách tương tự cho việc giải kênh các bus đòa chỉ và dữ liệu. Khi port 0 được dùng trong chế độ chuyển đổi: vừa là bus dữ liệu vừa là byte thấp của bus đòa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt byte thấp đòa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nửa đầu chu kì bộ nhớ. Sau đó, các đường port 0 dùng để xuất nhập dữ liệu trong nửa sau của chu kì bộ nhớ. Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng làm nguồn xung nhòp cho các phần khác của hệ thống. Nếu xung nhòp trên 8951 là 12 Mhz thì ALE có tần số 2 Mhz. Chỉ ngoại trừ khi thi hành lệnh MOVX, một xung ALE sẽ bò mất. Trong trường hợp là 8051 thì chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong chip. c/ EA\ (External Access): Tín hiệu vào EA\ trên chân 31 thường được mắc lên mức cao (+5v) hoặc mức thấp (GND). Nếu ở mức cao, 8951 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng đòa chỉ thấp (4K). Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng. Khi dùng 8031, EA\ luôn được nối mức thấp vì 8031 không có bộ nhớ chương trình trên chip. Nếu EA\ được nối mức thấp thì bộ nhớ chương trình bên trong 8951 sẽ bò cấm và chương trình chỉ được thi hành từ EPROM mở rộng. Người ta còn dùng EA\ làm chân cấp điện áp 21V khi lập trình cho EEPROM trong 8051. d/ RST (Reset): Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8951. Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kì máy), các thanh ghi bên trong 8951 được tải những giá trò thích hợp để khởi động hệ thống. Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 9 e/ Các ngõ vào bộ dao động trên chip: Như đã thấy trong các hình trên, 8951 có một bộ dao động trên chip. Nó thường được nối với một thạch anh giữa hai chân 18 và 19. Các tụ giữ cũng cần thiết như đã vẽ. Tần số thạch anh thông thường là 12 Mhz. f/ Các chân nguồn: 8951 hoạt động với nguồn đơn +5V. Vcc được nối vào chân 40 và Vss (GND) được nối vào chân 20. 3/ Tổ chức bộ nhớ: 3.1/ Khảo sát tổ chức bộ nhớ 8951: C 8951 có bộ nhớ được tổ chức theo cấu trúc Harvard : có những vùng bộ nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu. Như đã nói ở trên, cả chương trình và dữ liệu có thể ở bên trong (8951); dù vậy chúng có thể được mở rộng bằng các thành phần ngoài lên đến tối đa 64 Kbytes bộ nhớ chương trình và 64 Kbytes bộ nhớ dữ liệu. Bộ nhớ bên trong bao gồm ROM (8951) và RAM trên chip bao gồm nhiều thành phần: Phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ đòa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt. FFFF FFFF FF 00 0000 Bộ nhớ chương trình được chọn qua PSEN\ 0000 Bộ nhớ dữ liệu được chọn qua WR\ và RD\ Bộ nhớ trên chip Bộ nhớ mở rộng Luận văn tốt nghiệp 10 Tóm tắt các vùng bộ nhớ của 8951. Hai đặc tính cần lưu ý là: Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được xếp trong bộ nhớ và có thể được truy xuất trực tiếp giống như các đòa chỉ bộ nhớ khác. Ngăn xếp bên trong RAM nội nhỏ hơn so với RAM ngoài so với bộ xử lí khác. 3.2/ Chi tiết về bộ nhớ RAM trên chip: Như sẽ thấy trong hình sau, RAM bên trong 8951 được phân chia thành các bank thanh ghi (00H – 1FH), RAM đòa chỉ hóa bit (20H – 2FH), RAM đa dụng (30H – 7FH) và các thanh ghi chức năng đặc biệt trong khoảng (80H – FFH). RAM đa dụng: Mặc dù trên hình cho thấy 80 bytes RAM đa dụng chiếm các đòa chỉ từ 30H – 7FH, 32 bytes dưới cùng từ 00H – 1FH cũng có thể được dùng với mục đích tương tự (mặc dù các đòa chỉ này đã có mục đích khác). Đòa chỉ Đòa chỉ byte Đòa chỉ bit byte Đòa chỉ bit 7F FF F0 F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 B E0 E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 ACC D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 _ D0 PSW 30 RAM đa dụng B8 _ _ _ BC B B BA B9 B8 IP 2F 7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78 2E 77 76 75 74 73 72 71 70 B0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P3 2D 6F 6E 6D 6C 6B 6A 69 68 2C 67 66 65 64 63 62 61 60 A8 AF _ _ AC AB AA A9 A8 IE 2B 5F 5E 5D 5C 5B 5A 59 58 2A 57 56 55 54 53 52 51 50 A0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 P2 29 4F 4E 4D 4C 4B 4A 49 48 28 47 46 45 44 43 42 41 40 99 không được đòa chỉ hóa bit SBUF 27 3F 3E 3D 3C 3B 3A 39 38 98 9F 9E 9D 9C 9B 9A 99 98 SCON 26 37 36 35 34 33 32 31 30 25 2F 2E 2D 2C 2B 2A 29 28 90 97 96 95 94 93 92 91 90 P1 24 27 26 25 24 23 22 21 20 23 1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18 8D không được đòa chỉ hóa bit TH1 22 17 16 15 14 13 12 11 10 8C không được đòa chỉ hóa bit TH0 21 0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 08 8B không được đòa chỉ hóa bit TL1 20 07 06 05 04 03 02 01 00 8A không được đòa chỉ hóa bit TL0 1F 89 không được đòa chỉ hóa bit TMOD 18 BANK 3 88 8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88 TCON 17 87 không được đòa chỉ hóa bit PCON 10 BANK 2 0F 83 không được đòa chỉ hóa bit DPH 08 BANK 1 82 không được đòa chỉ hóa bit DPL 07 81 không được đòa chỉ hóa bit SP 00 BANK 0 ( Mặc đònh cho R0 – R7 ) 80 87 86 85 84 83 82 81 80 P0 . RAM đòa chỉ hóa bit (20H – 2FH), RAM đa dụng (30H – 7FH) và các thanh ghi chức năng đặc biệt trong khoảng (80H – FFH). RAM đa dụng: Mặc dù trên hình cho thấy 80 bytes RAM đa dụng chiếm các. trên chip bao gồm nhiều thành phần: Phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ đòa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt. FFFF FFFF FF 00 . Ngăn xếp bên trong RAM nội nhỏ hơn so với RAM ngoài so với bộ xử lí khác. 3.2/ Chi tiết về bộ nhớ RAM trên chip: Như sẽ thấy trong hình sau, RAM bên trong 8951 được phân chia thành các bank thanh