ĐỒ án đề tài thiết kế mô hình điều khiển đèn giao thông cho ngã tư

báo cáo thực tập tốt nghiệp tìm hiểu tìm hiểu THIẾT KẾ ĐÈN GIAO THÔNG CHO NGÃ TƯtìm hiểu THIẾT KẾ ĐÈN GIAO THÔNG CHO NGÃ TƯ CHO NGÃ TƯ. báo cáo thực tập tốt nghiệp tìm hiểu THIẾT KẾ ĐÈN GIAO THÔNG CHO NGÃ TƯ. tìm hiểu THIẾT KẾ ĐÈN GIAO THÔNG CHO NGÃ TƯ . tìm hiểu THIẾT KẾ ĐÈN GIAO THÔNG CHO NGÃ TƯ

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: Tổng quan về hệ thống đèn giao thông 2

1.1 Thực trạng nút giao thông LÊ CÔNG THANH 2

1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đèn giao thông 2

1.3 Giản đồ thời gian cho từng đèn 4

1.4 Tìm hiểu về IC 74LS245, IC 7404, đèn led 7 đoạn và các linh kiện liên quan 5

1.4.1 Cấu tạo, chức năng các chân của IC 74LS245 5

a Cấu tạo 5

b Chức năng 6

1.4.2 Cấu tạo, chức năng các chân của IC 7404 6

a Cấu tạo 6

b Chức năng: 7

1.4.3 Led 7 thanh 7

1.4.4 Các linh kiện liên quan 9

1.4.4.1 Điện trở 9

1.4.4.2 Tụ điện 9

1.4.4.3 Thạch Anh 10

1.4.4.4 Điot phát quang (LED) 10

1.4.4.5 Nút bấm 11

1.4.4.6 IC ổn áp 7805 11

Chương 2: Tìm hiểu về vi điều khiển AT89C51 13

2.1 Tóm tắt lịch sử phát triển 13

2.2 Giới thiệu chung về vi điều khiển 8051 13

2.2.1 Các phiên bản của chip vi điều khiển 8051: 14

2.2.1.1 Bộ vi điều khiển 8031 14

2.2.1.2 Bộ vi điều khiển 8052 14

2.2.1.3 Bộ vi điều khiển 8751 15

2.2.1.4 Bộ vi điều khiển AT8951 của Atmel Corporation 15

2.2.1.5 Bộ vi điều khiển DS5000 của Dallas Semiconductor 16

2.2.2 Các chân của chip 8051 17

2.3 Vi điều khiển AT89C51 18

2.3.1 Sơ đồ khối và chứ năng các chân của AT 89C51 19

a Sơ đồ khối 19

b Chức năng các chân IC 89C51 20

c Bộ nhớ trên chip 23

d Các Bộ định thời/Bộ đếm 24

e Điều khiển ngắt 26

Chương 3: Thực Nghiệm 27

3.1 Giới thiệu phần mềm protues 27

3.2 Vẽ sơ đồ nguyên lý với PROTUES 27

3.2.1 Vẽ sơ đồ nguyên lý với ISIS PROFESSIONAL 27

3.1.2 Vẽ mạch in với ISIS PROFESSIONAL 33

3.2 Thiết kế mạch 38

3.2.1 Thiết kế mô hình hệ thống 38

3.2.2 Thiết kế mạch nguồn 38

3.2.3 Thiết kế mạch nguyên lý theo từng khối 39

3.3 Mô phỏng trên proteus 42

3.4 Thiết kế mạch in 44

3.4.1 Khối điều khiển 44

3.4.2 Khối hiển thị 45

3.5 Nguyên lý hoạt động: 45

3.5.1 Nguyên lý chung: 45

3.5.2 Nguyên lý hoạt động của mạch: 46

3.6 Lưu đồ thuật toán 47

3.7 Soạn thảo chương trình 48

KẾT LUẬN 58

HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI 59

Những khó khăn gặp phải khi thực hiện: 59

Hướng mở rộng đề tài 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ảnh chụp ngã tư LÊ CÔNG THANH – PHỦ LÝ – HÀ NAM 2

Hình 1.2 Hướng chiếu của các đèn và hướng đi lại trên đường 3

Hình 1.3 Giản đồ thời gian cho từng đèn 4

Hình 1.4 Hình dạng IC 74LS245 5

Hình 1.5 Cấu tạo bên trong IC 74LS245 6

Hình 1.6 Hình dạng IC 7404 6

Hình 1.7 Hình dạng bên ngoài và cấu tạo bên trong của led 7 thanh 7

Hình 1.8 Hình dạng điện trở 9

Hình 1.9 Hình dạng tụ điện 9

Hình 1.10 Hình dạng thạch anh 10

Hình 1.11 Hình dạng led 10

Hình 1.12 Hình dạng nút bấm 11

Hình 1.13 Hình dạng IC ổn áp 11

Hình 2.1 Sơ đồ các chân của IC 8051 17

Hình 2.2 Hình minh họa thực tế và sơ đồ chân ra của IC AT89C51 18

Hình 2.3 Biểu diễn sơ đồ khối chức năng của bộ vi điều khiển AT89C5120 Hình 2.4 Mạch thiết lập lại cho AT89C51 22

Hình 2.5 Mạch tạo dao động cho bộ tạo dao động của AT89C51 23

Hình 3.1 Giao diện chương trình Protues 28

Hình 3.2 menu dùng lấy các thanh công cụ dùng trong thiết kế 28

Hình 3.3 Nhóm công cụ để vẽ các ký hiệu, chú thích 29

Hình 3.4 Lựa chọn tùy chọn của chương trình 29

Hình 3.4 Giao diện thực hiện lấy linh kiện (cách 1) 30

Hình 3.5 Giao diện thực hiện lấy linh kiện (cách 2) 30

Hình 3.6 Giao diện Pick Devices 30

Hình 3.7 Giao diện chính của chương trình ARES Professional 33

Hình 3.8 Giao diện khi chọn đường dẫn để vẽ mạch in 34

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý của mạch chuẩn bị vẽ mạch in 34

Hình 3.10 Cách vẽ đường bao của mạch in 35

Hình 3.11 Cách vẽ chân linh kiện 36

Hình 3.12 Sơ đồ khối hệ thống 38

Hình 3.13 Sơ đồ mạch nguồn 38

Hình 3.14 Sơ đồ mạch nguyên lý khối hiển thị 39

Hình 3.15 Sơ đồ mạch nguyên lý khối tín hiệu điều khiển 40

Hình 3.16 Sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển đèn 41

Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng trạng thái đèn giao thông theo thời gian mặc định 43

Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng trạng thái đèn giao thông ban đêm 43

Hình 3.19 Mạch điều khiển 44

Hình 3.20 Mạch hiển thị 45

Hình 3.21 Lưu đồ thuật toán mô hình điều khiển đèn giao thông 47

DANH M C B NG ỤC BẢNG ẢNG

Bảng 1 Bảng mã led 7 thanh 8

Bảng 2 Chức năng của các chân cổng Port 3 21

Bảng 3 Trạng thái các thanh ghi sau khi Reset 23

Bảng 4 Một số thanh ghi chuyên dụng của vi điều khiển 8051 24

Bảng 5 Các chế độ hoạt động của các bộ đếm 25

Bảng 6 Các bit và chức năng của nó trong thanh ghi IE 26

Bảng 7 Các bit và chức năng của chúng trong thanh ghi IP 26

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống củacon người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiệnđại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Đặc biệt gópphần vào sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong

sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước Những thiết bị điện, điện tử được pháttriển mạnh mẽ và được ứng dụng rỗng rãi trong đời sống cũng như sản suất Từnhững thời gian đầu phát triển kĩ thuật số đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tớingày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm Những thành tựu của

nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái cóthể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả những ứng dụng trong thực tế của môn

vi điều khiển Em sau thời gian học tập được các thầy, cô giáo trong khoa giảngdạy về các kiến thức chuyên nghành, đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt tình của cô

Nguyễn Thị Hiền cùng với sự lỗ lực của bản thân em đã hoàn thiện được bài đồ

án: “ Xây dựng hệ thống điều khiển đèn giao thông cho ngã tư Lê Công Thanh”

Nội dung bài đồ án gồm có:

Chương 1: Tìm hiểu hệ thống đèn giao thông

Chương 2: Tìm hiểu về vi điều khiển AT89C51

Thái Nguyên, ngày 22 tháng 07 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Đạt

Chương 1: Tổng quan về hệ thống đèn giao thông

1.1 Thực trạng nút giao thông LÊ CÔNG THANH

Ngã tư có hai trục đường với kích thước hình học không đối xứng, đặcbiệt chiều rộng đường và lưu lượng xe khác nhau tương đối lớn, do đó khi bố trícác cụm đèn tín hiệu cho phương tiện và người đi cần thêm đèn báo cho rẽ phảikhi đèn đỏ Đèn báo cho phép rẽ này được mắc song song với đèn đỏ của hướngliền kề chúng ta có thể quan sát trên hình sau:

Hình 1.1 Ảnh chụp ngã tư LÊ CÔNG THANH – PHỦ LÝ – HÀ NAM

trên google mapĐây là nút giao thông của thành phố, là nút có 2 trục đường cắt nhau và cóđường cắt nhỏ cho phép phương tiện rẽ phải mà không chịu sự điều khiển củađèn tín hiệu giao thông, phương tiện đi thẳng và rẽ trái vì thế lưu lượng giảm điđáng kể

1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đèn giao thông

Mạch điều khiển dàn đèn giao thông tại ngã tư ưu tiên xe cơ giới, tại cácgóc đường, đèn sẽ được bố trí như hình vẽ dưới đây Mỗi góc của ngã tư đường

sẽ gồm một bộ đèn xanh, đỏ vàng dành cho xe cơ giới và đồng thời có led hiển

thị thời gian đếm ngược dành cho xe cơ giới để người đi xe tiện quan sát Hướngchiếu của các đèn và hướng đi lại trên đường sẽ được mô tả như hình vẽ.

Hình 1.2 Hướng chiếu của các đèn và hướng đi lại trên đường

Chiều mũi tên nhỏ chỉ hướng chiếu của đèn và người tham gia giao thông

sẽ đi theo hướng mũi tên đậm nằm trên đường và sẽ phải quan sát bộ đèn giaothông gần nhất bên tay phải làm chỉ dẫn giao thông

Khi các đèn làm nhiệm vụ điều khiển giao thông thì các bộ đèn đối diệnnhau sẽ có cùng trạng thái về màu đèn Còn các bộ đèn ở đường kề sát sẽ ngượclại về màu đèn Ví dụ như bộ đèn ở nhánh này có màu xanh, vàng, đỏ thì đèn ởnhánh bên cạnh sẽ có màu đỏ, vàng, xanh, việc thiết kế đèn vàng sáng giữa đènxanh và đèn đỏ là để báo cho phương tiện giao thông biết là sắp có sự chuyển đổigiữa hai đèn màu xanh và đèn màu đỏ

Do vậy, về cơ bản đèn điều khiển giao thông tại ngã tư được chia làm haidàn: dàn đèn 1 và dàn đèn 2

Ngoài ra mạch còn được thiết kế hai chế độ làm việc ban ngày và banđêm Ở chế độ làm việc ban ngày, các đèn led sẽ hoạt động bình thường Còn ở

chế độ ban đêm sẽ chỉ có một đèn vàng nhấp nháy theo xung nhịp đưa vào.Haichế độ được thiết lập chuyển mạch bằng công tắc.

1.3 Giản đồ thời gian cho từng đèn

Hình 1.3 Giản đồ thời gian cho từng đèn

Hệ thống hoat động như sau:

Ta giả sử rằng xét ở chế độ ban ngày tại thời điểm ban đầu đèn xanh tại vịtrí A,C sáng cho phép các phương tiện và người đi bộ đi theo chiều từ A sang C

và ngược lại đồng thời lúc này đèn đỏ tại các vị trí B,D sáng không cho cácphương tiện lưu thông đi theo chiều từ B sang D và ngược lại Sau một khoảngthời gian đèn xanh tại vị trí A,C và đèn đỏ tại vị trí B,D tắt đồng thời đèn vàng tại

vị trí A,C sáng và đèn đỏ tại vị trí người đi bộ nhấp nháy sau một khoảng thờigian đèn vàng tại vị trí A,C tắt, đèn đỏ tại vị trí người đi bộ A,C cũng tắt theo,sáng đèn xanh tại vị trí B,D lúc này xanh cho người đi bộ tại A,C sáng, đỏ chongười đi bộ tại B,D sáng, đèn đỏ A,C sáng, sau khi đèn xanh tại B,D tắt đèn vàngB,D lại sáng, sau khi đèn vàng B,D tăt đèn xanh đi bộ B,D sáng và cứ lặp lại nhưvậy

- Chân 1: DIR chân chọn hướng dữ liệu : nếu DIR=1 thì input A và output B vàngược lại với DIR=0;

- Chân 2=>chân 9 : A0=>A7 data in/output phụ thuộc vào chân DIR

- Chân 10: GND

- Chân 11 =>18: B7=>B0 data in/output phụ thuộc vào chân DIR

- Chân 19 : OE chân cho phép tích cực ở mức 0 nếu 0E=0 thì ic xuất dữ liệungược lại OE=1, cấm

- Chân 20: VCC

 Cấu tạo bên trong:

Hình 1.5 Cấu tạo bên trong IC 74LS245

b Chức năng

Đệm dữ liệu 2 chiều , thường ứng dụng trong các mạch sử dụng led nhưquét led matrix , led 7 , hoặc đệm dữ liệu trên bus với các mạch sử dụng nhiềulinh kiện mắc song song

1.4.2 Cấu tạo, chức năng các chân của IC 7404

a Cấu tạo

Hình 1.6 Hình dạng IC 7404

Cấu tạo bên trong:

Cấu tạo bên trong của ic chứa 6 cổng logic NOT như hình dưới đây:

- Nguồn cung cấp cho ic với điện áp khoảng 4,75V đến 5,25V

- Điện áp đưa vào ở mức cao khoảng 2V

- Điện áp đưa vào mức thấp là 0,8V

- Nhiệt độ làm việc ổn định khoảng 0oC đến 70oC

- Nhiệt độ có thể chịu đựng được khoảng -65oC đến 150oC

Hình 1.7 Hình dạng bên ngoài và cấu tạo bên trong của led 7 thanh

- Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình bêndưới và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới,bên phải của led 7 đoạn 8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode (cực +) hoặcCathode (cực -) được nối chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài

để kết nối với mạch điện 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chânriêng, cũng được đưa ra ngoài để kết nối với mạch điện Nếu led 7 đoạn cóAnode (cực +) chung, đầu chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng

để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vàocác chân này ở mức 0 Nếu led 7 đoạn có Cathode (cực -) chung đầu chung nàyđược nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạngthái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ởmức 1

- Ở trong mạch đèn giao thông này chúng tôi dùng loại LED nối anot chung

- Bảng mã led 7 thanh: dùng anot chung:

Hình 1.8 Hình dạng điện trở

- Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu vật dẫn điện tốtthì điện trở càng nhỏ, nếu vật dẫn điện kém thì điện trở càng lớn, nếu vật khôngdẫn điện thì điện trở vô cùng lớn

- Điện trở được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tùy theo tỉ lệ pha trộn

mà người ta tạo ra các điện trở có trị số khác nhau

- Điện trở trong mạch đèn giao thông có tác dụng khống chế dòng điện quatải cho phù hợp

1.4.4.2 Tụ điện

Hình 1.9 Hình dạng tụ điện

- Tụ điện gồm hai bản cực đặt song song ở giữa có môt lớp cách điện gọi làđiện môi Người ta thường dung giấy, gốm, mica, giấy tẩm hóa chất làm chấtđiện môi

- Tụ gốm là tụ không phân biệt âm dương và có điện dung nhỏ

- Tụ hóa là tụ có phân cực âm dương và có điện dung lớn

- Trong mạch giao thông ta sử dụng tụ gốm và tụ hóa

- Tụ điện trong mạch có tác dụng lọc cho điện áp một chiều sau khi dã chỉnhlưu bằng phẳng để cho tải tiêu thụ

1.4.4.3 Thạch Anh

Hình 1.10 Hình dạng thạch anh

- Thạch anh làm bằng tinh thể đá thạch anh được mài phẳng và chính xác.Linh kiện thạch anh làm việc dựa trên hiệu ứng áp điện Hiệu ứng này có tínhthuận nghịch Khi áp một điện áp vào 2 mặt của thạch anh, nó sẽ bị biến dạng.Ngược lại, khi tạo sức ép vào 2 bề mặt đó, nó sẽ phát ra điện áp

- Tác dụng của thạch anh trong mạch dùng để tạo dao động cho ra tần số ổnđịnh hơn

- Ở trong mạch này ta dùng thạch anh 12MHZ

1.4.4.4 Điot phát quang (LED)

Hình 1.11 Hình dạng led

- Hoạt động của led giống như điot bán dẫn phân cực thuận cho led mới có

thể sáng được

- Tác dụng trong mạch dùng để hiển thị đèn báo hiệu đỏ, vàng, xanh

1.4.4.5 Nút bấm

Hình 1.12 Hình dạng nút bấmTác dụng trong mạch dùng để:

- RESET chương trình về ban đầu

- Điều khiển chế độ đèn giao thông giữa ban ngày và ban đêm

- Điều khiển thời gian hiển thị trên led 7 thanh

1.4.4.6 IC ổn áp 7805

Hình 1.13 Hình dạng IC ổn áp

- Điện áp vào từ 7-12V DC được nối vào chân 1(INPUT)

- Điện áp ra 5V DC được lấy từ chân 3 (OUTPUT)

- Chân 2 là chân chung nối âm

Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi.Mạch này dùng để bảo vệ những mạch điện chỉ hoạt động ở điện áp 5V (các loại

IC thường hoạt động ở điện áp này) Nếu nguồn điện có sự cố đột ngột: điện áptăng cao thì mạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ có IC 7805 vẫn giữ được điện

áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi

Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một máy biến áp với điện áp từ 7V đến12V để đưa vào ngõ IN Khi kết nối mạch điện, do nhiều nguyên nhân, ngườidùng dễ nhầm lẫn cực tính của nguồn cung cấp khi đấu nối vào mạch, trongtrường hợp này rất dễ ảnh hưởng đến các linh kiện trên board mạch Vì lí do đómột diode cầu được lắp thêm vào mạch, diode cầu đảm bảo cực tính của nguồncấp cho mạch theo một chiều duy nhất, và nguời dùng cũng không cần quan tâmđến cực tính của nguồn khi nối vào ngõ IN nữa

Chương 2: Tìm hiểu về vi điều khiển AT89C51

2.1 Tóm tắt lịch sử phát triển

Vào năm 1981 hãng Intel giới thiệu một số bộ vi điều khiển được gọi là

8051 Bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM trên chip, hai bộđịnh thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng (đều rộng 8 bit) vào – ra tất cả được đặttrên một chip Lúc ấy nó được coi là một “hệ thống trên chip” 8051 là một bộ xử

lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm

Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dự liệu 8 bit để xử lý 8051 có tất cả

4 cổng vào – ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit Mặc dù 8051 có thể có một ROM trênchip cực đại là 64K byte, nhưng các nhà sản xuất lúc đó đã cho xuất xưởng chỉvới 4K byte ROM trên chip

8051 đã trở lên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sảnxuất và bán bất kỳ dạng biến thể nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họ phải

để lại mã tương thích với 8051 Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của

8051 với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chip khác nhau đượcbán bởi hơn nửa các nhà sản xuất Điều này quan trọng là mặc dù có nhiều biếnthể khác nhau của 8051 về tốc độ và dung lượng nhớ ROM trên chip, nhưng tất

cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu về các lệnh Điều này có nghĩa là nếuviết chương trình của mình cho một phiên bản nào đó thì nó cũng sẽ chạy vớimọi phiên bản bất kỳ khác mà không phân biệt nó được sản xuất từ hãng nào

2.2 Giới thiệu chung về vi điều khiển 8051

MCS-51 là họ vi điều khiển của hãng Intel Vi mạch tổng quát của họMCS-51 là chip 8051 Chip 8051 có một số đặc trưng cơ bản sau:

- Bộ nhớ chương trình bên trong: 4 KB (ROM)

- Bộ nhớ dữ liệu bên trong: 128 byte (RAM)

- Bộ nhớ chương trình bên ngoài: 64 KB (ROM)

- Bộ nhớ dữ liệu bên ngoài: 64 KB (RAM)

- 4 port xuất nhập (I/O port) 8 bit

- 2 bộ định thời 16 bit

- Mạch giao tiếp nối tiếp

- Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng lẻ)

- 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit

- Nhân / Chia trong 4 µs

Ngoài ra, trong họ MCS-51 còn có một số chip vi điều khiển khác có cấutrúc tương đương như:

2.2.1 Các phiên bản của chip vi điều khiển 8051:

2.2.1.1 Bộ vi điều khiển 8031

8031 là một phiên bản khác của họ 8051 Chip này thường được coi là

8051 không có ROM trên chip Để có thể dùng được chip này cần phải bổ sungthêm ROM ngoài chứa chương trình cần thiết cho 8031 8051 có chương trìnhđược chứa ở ROM trên chip bị giới hạn đến 4KB, còn ROM ngoài của 8031 thì

có thể lên đến 64KB Tuy nhiên, để có thể truy cập hết bộ nhớ ROM ngoài thìcần dùng thêm hai cổng (Port 0 và Port 2) , do vậy chỉ còn lại có hai cổng (Port 1

và Port 3) để sử dụng Nhằm khắc phục vấn đề này, chúng ta có thể bổ sung thêmcổng vào/ra cho 8031

2.2.1.2 Bộ vi điều khiển 8052

8052 là một phiên bản của họ 8051 8052 có tất cả các thông số kỹ thuậtcủa 8051, ngoài ra còn có thêm 128 byte RAM, 4KB ROM và một bộ định thờinữa Như vậy, 8052 có tổng cộng 256 byte RAM, 8KB ROM và ba bộ định thời

2.2.1.3 Bộ vi điều khiển 8751

Chip 8751 chỉ có 4KB bộ nhớ UV-EPROM trên chip Để sử dụng chipnày cần phải có thiết bị lập trình PROM và thiết bị xoá UV-EPROM Do ROMtrên chip của 8751 là UV-EPROM, nên cần phải mất khoảng 20 phút để xoá

8751 truớc khi được lập trình Vì đây là quá trình mất nhiều thời gian nên nhiềunhà sản xuất đã cho ra phiên bản Flash ROM và UV-RAM

2.2.1.4 Bộ vi điều khiển AT8951 của Atmel Corporation

AT8951 là phiên bản 8051 có ROM trên chip là bộ nhớ Flash Phiên bảnnày rất thích hợp cho các ứng dụng nhanh vì bộ nhớ Flash có thể được xóa trongvài giây Dĩ nhiên là để dùng AT8951 cần phải có thiết bị lập trình PROM hỗ trợ

bộ nhớ Flash nhưng không cần đến thiết bị xóa ROM vì bộ nhớ Flash được xóabằng thiết bị lập trình PROM Để tiện sử dụng, hiện nay hãng Atmel đang nghiêncứu một phiên bản của AT8951 có thể được lập trình qua cổng COM của máytính PC Như vậy sẽ không cần đến thiết bị lập trình PROM

2.2.1.5 Bộ vi điều khiển DS5000 của Dallas Semiconductor

Một phiên bản phổ biến khác nữa của 8051 là DS5000 của hãng DallasSemiconductor Bộ nhớ ROM trên chip của DS5000 là NV-RAM DS5000 cókhả năng nạp chương trình vào ROM trên chip trong khi nó vẫn ở trong hệ thống

mà không cần phải lấy ra Cách thực hiện là dùng qua cổng COM của máy tính

PC Đây là điểm mạnh được ưa chuộng,Ngoài ra NV-RAM còn có nhiều ưu việt

là cho phép thay đỏi nội dung RAM theo từng byte mà không phải xóa hết trướckhi lập trình như bộ nhớ EPROM

2.2.2 Các chân của chip 8051

Hình 2.1 Sơ đồ các chân của IC 8051

- CPU (Central Processing Unit): Đơn vị xử lý trung tâm tính toán và điều khiểnquá trình hoạt động của hệ thống

- OSC (Oscillator): Mạch dao động tạo tín hiệu xung clock cung cấp cho các khốitrong chip hoạt động

- Interrupt control: Điều khiển ngắt nhận tín hiệu ngắt từ bên ngoài (INT0\,INT1\), từ bộ định thời (Timer 0, Timer 1) và từ cổng nối tiếp (Serial port), lầnluợt đua các tín hiệu ngắt này đến CPU để xử lý

- Other registers: Các thanh ghi khác : Lưu trữ dữ liệu của các port xuất/nhập,trạng thái làm việc của các khối trong chip trong suốt quá trình hoạt động của hệthống

- RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ dữ liệu trong chip lưu trữ các dữ liệu

- ROM (Read Only Memory): Bộ nhớ chương trình trong chip lưu trữ chươngtrình hoạt động của chip

- Bus system: Hệ thống busliên kết các khối trong chip lại với nhau.

2.3 Vi điều khiển AT89C51

Vi điều khiển AT89C51 là một vi điều khiển thuộc họ 8051, loại CMOS,

có tốc độ cao và công suất thấp với bộ nhớ Flash có thể lập trình được Nó đượcsản xuất với công nghệ bộ nhớ không bay hơi mật độ cao của hãng Atmel.AT89C51 có 40 chân, được đóng gói theo tiêu chuẩn PDIP Hình 3 biểu diễn sơ

đồ chân ra, hình minh họa thực tế

Hình 2.2 Hình minh họa thực tế và sơ đồ chân ra của IC AT89C51

AT89C51 là vi điều khiển do hãng Intel sản xuất, chế tạo theo công nghệCMOS Có các đặc tính sau:

- 4 KB EPROM (Flash Erasable and Programmable Read Only Memory),

có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi/xoá

- Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz

- Có 3 mức khóa bộ nhớ lập trình

- 128 Byte RAM nội

- 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit

256 byte RAM nội

2.3.1 Sơ đồ khối và chứ năng các chân của AT 89C51

a Sơ đồ khối

Hình 2.3 Biểu diễn sơ đồ khối chức năng của bộ vi điều khiển AT89C51

b Chức năng các chân IC 89C51

 Các cổng vào/ra song song

8051 có 4 cổng vào/ra song song 8 bit là Port 0, Port 1, Port 2, Port 3 Cáccổng này có thể sử dụng như là cổng vào hoặc cổng ra

+) Cổng Port 0 (các chân 32÷39) : là cổng vào/ra song song có hai chứcnăng Trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng, nó có chức năngnhư các đường vào/ra Trong các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng nó trở thànhbus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp

+) Cổng Port 1 (các chân 1÷8): là cổng vào/ra song song Các chân được

ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2, …có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếucần Cổng Port 1 không có các chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng chogiao tiếp với các thiết bị ngoại vi

+) Cổng Port 2 (các chân 21÷28): là một cổng vào/ra song song có tácdụng kép, được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte của bus địa chỉ 16 bitđối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng.

+) Cổng Port 3 (các chân 10÷17): là cổng vào/ra song song có tác dụngkép Khi không hoạt động xuất nhập các chân của cổng này có nhiều chức năngriêng Bảng 3 cho ta chức năng của các chân cổng Port3

Bảng 2 Chức năng của các chân cổng Port 3

 Nguồn:

Chân 40: VCC = 5V ± 20%

Chân 20: GND

 Các chân tín hiệu điều khiển

- Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN (Program Storage Enable):

 Tín hiệu PSEN là tín hiệu ra ở chân 29 có tác dụng kép

 Cho phép đọc bộ nhớ chương trình ngoài, thường được nối đến chân

OE (Output Enable) của EPROM cho phép đọc các byte mã lệnh Tín hiệu PSEN

ở logic 0 trong thời gian vi điều khiển tìm nạp lệnh Các mã lệnh được đọc từEPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR của vi điều khiển đểgiải mã

 Khi vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ởmức logic 1

- Chân cho phép chốt địa chỉ ALE/PROG (Address Latch Enable):

 Chân tín hiệu ALE (chân 30) đưa ra xung điều khiển cho phép chốtbyte thấp của địa chỉ khi vi điều khiển truy xuất bộ nhớ ngoài Chân này cũng làđầu vào của xung lập trình khi lập trình cho FLASH, khi đó chân tín hiệu ở mức

0 Khi hoạt động bình thường, tín hiệu ALE được phát ra với tần số không đổibằng 1/6 tần số của bộ tạo dao động trên chip, và có thể sử dụng cho mục đíchđịnh thời Tuy nhiên, sẽ có một xung ALE bị bỏ qua mỗi khi vi điều khiển truyxuất bộ nhớ ngoài

- Chân tín hiệu truy xuất ngoài EA (External Access):

 Tín hiệu vào EA (chân 31) được nối với 5V (mức logic 1) hoặc vớiGND (mức 0) Nếu ở mức 1, vi điều khiển thi hành chương trình từ ROM nội.Nếu ở mức 0, vi điều khiển sẽ thi hành chương trình ở bộ nhớ mở rộng Chân EAđược lấy làm chân cấp nguồn 12V khi lập trình cho FLASH trong vi điều khiển

- Chân thiết lập lại RST (Reset):

 Chân RST (chân 9) là đường vào xóa chính của vi điều khiển dung đểthiết lập lại hệ thống Khi chân tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất là 2 chu kìmáy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệthống RST có thể được kích khi cấp điện dùng một mạch R-C Mạch này nhưsau:

Hình 2.4 Mạch thiết lập lại cho AT89C51

 Trạng thái các thanh ghi của vi điều khiển được tóm tắt trong bảng.Quan trọng nhất trong các thanh ghi trên là thanh ghi bộ đếm chương trình (PC –Program Counter) Sau khi thiết lập lại (RST trở về mức thấp), thanh ghi PC cógiá trị 0000H, tức là chương trình luôn bắt đầu tại địa chỉ đầu tiên trong bộ nhớchương trình Nội dung của RAM trên chip không bị thay đổi khi thiết lập lại

Bảng 3 Trạng thái các thanh ghi sau khi Reset

- Các chân XTAL1, XTAL2:

 Các chân này (chân 18, 19) nối với bộ tạo dao động trên chip Mạchtạo dao động như sau:

Hình 2.5 Mạch tạo dao động cho bộ tạo dao động của AT89C51

 Tần số của dao động thường là 12MHz Khi đó tụ có giá trị 33pF.Chân VCC nối đến +5V của nguồn cấp, chân GND nối đất

c Bộ nhớ trên chip

 RAM trong:

 Bộ vi điều khiển 8051 có 128 byte RAM trong bao gồm 32 byte đầutiên (00H đến 1FH) dành cho các thanh ghi, 16 byte tiếp theo (20H đến 2FH) làvùng RAM định địa chỉ theo bit, sau đó là 80 byte RAM nháp

 Vùng thanh ghi có 32 byte, chia thành 4 khối (bank 0 đến bank 3), mỗikhối có 8 thanh ghi (từ R0 đến R7)

 Sau đây là một số thanh ghi chuyên dụng:

Bảng 4 Một số thanh ghi chuyên dụng của vi điều khiển 8051

 ROM:

 Bộ vi điều khiển AT89C51 có 4KB FLASH lập trình được

 ROM luôn chiếm vùng địa chỉ thấp nhất trong bộ nhớ chương trình

d Các Bộ định thời/Bộ đếm

Bộ vi điều khiển 8051 có 2 Bộ định thời/Bộ đếm là Bộ định thời/Bộ đếm

0 và Bộ định thời/Bộ đếm 1 Chúng có thể hoạt động như là bộ định thời hoặc bộđếm Chế độ hoạt động của các Bộ định thời/Bộ đếm được cất trong thanh ghiTMOD:

 Nếu bit GATE xóa, các Bộ định thời/Bộ đếm được phép hoạt đông khibit TR# tương ứng trong thanh ghi TCON thiết lập Ngược lại, nếu GATE thiếtlập thì các Bộ định thời/Bộ đếm chỉ hoạt động khi các chân INT# tương ứng tíchcực (mức thấp)

 Bit C/T# dùng để lựa chọn chế độ hoạt động bộ đếm hay bộ định thời.Nếu được thiết lập thì nó hoạt động theo chế độ đếm sự kiện, lúc này nguồn xungcho bộ đếm là xung ngoài đưa vào từ chân T# tương ứng (chân 14, 15) Nếu bịxóa, thì nó hoạt động theo chế độ định thời với nguồn xung là xung tạo ra từ bộtạo dao động trên chíp sau khi chia 12

chế độ ngắt mức, khi tín hiệu vào còn ở mức thấp thì ngắt được tạo ra liên tụccho đến khi tín hiệu vào chuyển lên mức cao hoặc thiết lập IT#.

 Các bit IE# là các cờ ngắt cạnh, được thiết lập khi dò thấy ngắt cạnh

e Điều khiển ngắt

Bộ vi điều khiển 8051 có 5 nguồn ngắt: TF0, TF1, INT0, INT1 và ngắt docổng nối tiếp Sự điều khiển hoạt động ngắt được cất trong 2 thanh ghi là thanhghi cho phép ngắt IE (Interrupt Enable) và thanh ghi xác định thứ tự ưu tiên ngắt

IP (Interrupt Priority) Các bit và chức năng của chúng trong thanh ghi IE nhưsau (thiết lập là cho phép, xóa là cấm):

Bảng 6 Các bit và chức năng của nó trong thanh ghi IEVới thanh ghi IP:

Bảng 7 Các bit và chức năng của chúng trong thanh ghi IP