thiết kế và chế tạo mạch chạy chữ dùng matran led

Lời Nói Đầu. Ngày nay sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật đã làm nền tảng vững chắc thúc đẩy các nghành kinh tế phát triển và tiến lên một tầm cao mới. gắn với sự phát triển của nghành khoa học kĩ thuật thì kĩ thuật điện tử và tin học cũng phát triển không kém và mang tính vượt bậc. Một xã hội phát triển đòi hỏi phải có nhiều trang thiết bị hiện đại ứng dụng kĩ thuật số trong nghành điện tử đã cho thấy rõ tính ưu việt của nó những thành tựu to lớn của nó đã đóng góp một phần không nhỏ vào nhu cầu thoả mãn của con người. Qua môn học đồ án 2 này, sinh viên chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo giảng viên các khoa đã chỉ dạy cho chúng em các môn đại cương, các thầy cô giáo giảng viên khoa Công Nghệ Điện Tử đã hướng dẫn, chỉ dạy cho chúng em các kiến thức liên quan đến chuyên ngành Điện Tử Công Nghiệp. Đặc biệt là thầy Nguyễn Vũ Thắng đã tận tình hướng dẫn cho sinh viên chúng em hoàn thành tốt các mô hình thực hành của đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch hiển thị chạy chữ dùng led matran.” và bài báo cáo về môn đồ án này. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Vũ Thắng và các bạn trong khoa đã nhiệt tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài. Tuy nhiên nhưng do thời gian và kiến thức còn rất nhiều hạn chế nên không tránh khỏi sai sót rất mong sự đóng góp của các thầy cô và các bạn nhằm phát triển và hoàn thiện đề tài. Chúng Em Xin Chân Thành Cảm ơn

Lời Nói Đầu.

Ngày nay sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật đã làm nền

tảng vững chắc thúc đẩy các nghành kinh tế phát triển và tiến lên một tầm cao mới.gắn với sự phát triển của nghành khoa học kĩ thuật thì kĩ thuật điện tử và tin họccũng phát triển không kém và mang tính vượt bậc Một xã hội phát triển đòi hỏiphải có nhiều trang thiết bị hiện đại ứng dụng kĩ thuật số trong nghành điện tử đãcho thấy rõ tính ưu việt của nó những thành tựu to lớn của nó đã đóng góp mộtphần không nhỏ vào nhu cầu thoả mãn của con người

Qua môn học đồ án 2 này, sinh viên chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy

cô giáo giảng viên các khoa đã chỉ dạy cho chúng em các môn đại cương, các thầy

cô giáo giảng viên khoa Công Nghệ Điện Tử đã hướng dẫn, chỉ dạy cho chúng emcác kiến thức liên quan đến chuyên ngành Điện Tử Công Nghiệp Đặc biệt là thầy

Nguyễn Vũ Thắng đã tận tình hướng dẫn cho sinh viên chúng em hoàn thành tốt

các mô hình thực hành của đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch hiển thị chạy chữ dùng led matran.” và bài báo cáo về môn đồ án này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Vũ Thắng và các bạntrong khoa đã nhiệt tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài Tuy nhiên nhưng dothời gian và kiến thức còn rất nhiều hạn chế nên không tránh khỏi sai sót rất mong

sự đóng góp của các thầy cô và các bạn nhằm phát triển và hoàn thiện đề tài

Chúng Em Xin Chân Thành Cảm ơn!

1

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn:

Hưng Yên Ngày Tháng Năm2012

2

Nhận Xét Của Giáo Viên Phản Biện:

Hưng Yên Ngày Tháng Năm2012

3

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.Lý do chọn đề tài.

Điện – Điện tử là một trong những lĩnh vực rất phát triển và đánh giá được tốc

độ phát triển về kinh tế cũng như khoa học kĩ thuật của một đất nước Việc pháttriển, chế tạo các lọai Chip, các lọai IC tích hợp thông dụng, có ứng dụng nhiềutrong thực tế có vai trò to lớn trong quá trình phát triển khoa học kĩ thuật liên quanđến kĩ thuật điện – điện tử - tự động hóa Ở Việt Nam công nghệ chế tạo các lọaiChip vi điều khiển, các công nghệ tích hợp IC chưa được chú trọng phát triển, phầnlớn còn ứng dụng và phụ thuộc nhiều vào các công nghệ tiên tiến của các nước pháttriển như: Mỹ, Nhật Bản… đặc biệt là tập đoàn điện tử khổng lồ Intel…

Vì vậy việc học tập, tìm hiểu nghiên cứu lại những công nghệ phát triển của cácnước bạn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với người học và đóng vai trò khôngnhỏ trong quá trình phát triển nền giáo dục của nước nhà

4

phát triển nền kinh tế nói chung và phát triển chuyên ngành Điện Tử - Tự ĐộngHóa nói riêng của nước nhà.

2.2 Yêu cầu

Qua môn học đồ án 1 sinh viên cần nắm vững kiến thức cơ bản của môn họcchuyên ngành trong giáo trình đào tạo của nhà trường, đồng thời biết và nắm rõkiến thức cơ bản về sơ đồ khối, các đặc tính, chức năng và nguyên lý họat động củacác linh kiện cơ bản của chuyên ngành điện tử như: Điện trờ, tụ điện, cuộn cảm,relay … đặc biệt là Ic sử dụng rộng rãi trong vi xử lý, điều khiển tự động Bên cạnh

đó là các phần mềm giúp ích trong việc thiết kế mạch như tina, protues, TopView

…

3 Đối tượng nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu của Đồ Án nói riêng và các môn học chuyên ngành trong

hệ thống Điện – Điện Tử nói chung là các sinh viên theo học, tìm hiểu và nghiêncứu trong lĩnh vực Điện tử, đồng thời là tất cả những người yêu thích chuyên ngànhĐiện Tử - Tự Động Hóa, vì đây là môn học cơ bản làm nền tảng, trang bị kiến thứccho người học để có thể tự tìm hiểu, nghiên cứu các tài liệu học tập cho các mônhọc tiếp theo, đồng thời cũng cố kiến thức các môn học đã được học trong thời giantheo học tại trường

4 Phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu đề tài của môn học Đồ Án: Khảo sát mạch chạy chữdùng led ma trận chủ yếu bằng logic thực nghiệm Vì môn học có tính chất lýthuyết, và liên quan mật thiết đến thực tế nên việc tìm kiếm tài liệu tiếng việt liênquan đến đề tài là rất khó khăn nên quá trình hòan thành môn học đồ án chủ yếubằng văn bản dịch Anh – Việt của em thông qua sự giúp đỡ của google

5

5 Phạm vi nghiên cứu.

Đề tài môn học đồ án được tiến hành, nghiên cứu chủ yếu ở nhà và phòng trọthư viện trường đại học sư phạm kĩ thuật hưng yên Việc tiến hành văn bản đượctiến hành ở nhà, bài báo cáo được tiến hành trong khoảng thời gian từ 15-10-2012đến 15-11-2012, trong khỏang thời gian đó em đã thảo luận , tham khảo ý kiến củathầy cô bạn bè đồng thời tìm kiếm tài liệu, mô phỏng mạch trên phần mềm

6 Kết quả nghiên cứu.

Sau một thời gian tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu về môn học kĩ thuật số và mônhọc Vi Điều Khiển nói chung, các môn học trong chuyên ngành Điện Tử CôngNghiệp nói riêng Khảo sát mạch chạy chữ hiển thị chữ trên Led ma trận đã giúp

em nắm được các khái niệm cơ bản của các linh kiện, đặc tính, chức năng vànguyên lý họat động của các linh kiện, hiểu được sơ đồ khối, chương trình điềukhiển vi xử lý và hiểu hơn vai trò môn học trong hệ thống môn học, nhằm trao dồikiến thức để chúng em hoàn thành tốt môn học Qua đó trang bị kiến thức cơ bản

để có thể tự học tập và cũng là hành trang em mang theo khi ra trường

6

PHẦN II: PHẦN NỘI DUNG

1.Giới thiệu về họ vi điều khiển AT89C51

AT89C51 là phiên bản có Rom nằm trên Chip là bộ nhớ Flash Phiên bảnnày rất thích hợp cho các ứng dụng nhanh vì bộ nhớ Flash có thể xóa được dữ liệuchỉ trong vài giây (chứ không phải 20 giây như 8751) Dĩ nhiên là để dungAT89C51 cần có một bộ đốt ROM hỗ trợ bộ nhớ Flash, xong lại không cần bộ xóa,

bộ nhớ Flash được xóa bằng bộ đốt PROM Để tiện sử dụng, hiện nay hang Atmelđang nghiên cứu một phiên bản mới của AT89C51 có thể lập trình qua cổng COMcủa máy tính và như vậy sẽ không cần bộ đốt PROM

1.1.Giới thiệu về cấu trúc phần cứng họ MCS-51

Đặc điểm và chức năng hoạt động của họ IC MCS-51 hoàn toàn tương tựnhau Ở đây giới thiệu IC AT89C51 là một IC điều khiển do hang intel của Mỹ sảnxuất, chúng có những đặc điểm như sau:

 4KB EFROM bên trong

 128 byte RAM nội

 4 Port xuất nhập I/O 8 bit

 Giao tiếp nối tiếp

1.2.Khối điều khiển trung tâm ( CPU ) :

Sơ đồ khối của một hệ vi xử lý:

 CPU (Central Processing Unit): đơn vị xử lý trung tâm

 RAM (Random Access Memory): bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên

 Rom (Read Only Memory): bộ nhớ chỉ đọc

 Interface Circuitry: mạch điện giao tiếp

 Peripheral Devices (Input): các thiết bị ngoại vi (thiết bị nhập)

 Peripheral Devices (Output): các thiết bị ngoại vi (thiết bị xuất)

8

 Addressbus: bus địa chỉ.

 Data bus: bus dữ liệu

 Control bus: bus điều khiển

1.3.Đơn vị xử lý trung tâm:

 CPU đóng vai trò chủ đạo trong hệ vi xử lý, nó quảnlý tất cả các hoạtđộng của hệ và thựchiện tất cả các thao tác trên dữ liệu

 CPU là một vi mạch điện tử có độ tích hợp ca Khi hoạt động CPU đọc

mã lệnh được ghi dưới dạng cácbit 0 và bit 1 từ bộ nhớ, sau đó nó sẽthực hiện giải mã các lệnh này thành các dãy xung điều khiển tươngứng với các thao táctrong lệnhđể điều khiển cáckhối khác thực hiệntừng bước các thao tác đóvà từ đó tạo ra các xung điều khiển cho toànhệ

 IR/IP (Instruction Register/Intruction Pointer): thanh ghi lệnh/con trỏlệnh

 PC (Program Counter): bộ đếm chươngtrình

 Instruction decode and control unit: đơn vị giải mã lệnh và điều khiển

 ALU (arithmetic and Logic Unit): đơn vị số học và logic

 Registers: Các thanh ghi

 Khi hoạt động CPU sẽ thực hiện liên tục 2 thao tác: tìm nạp lệnh vàgiãi mã - thực hiện lệnh

 Thao tác tìm nạp lệnh:

 Nội dung của thanh ghi PC đượcCPU đưa lên bus địa chỉ

 Tín hiệu điều khiển đọc (Read) chuyển sang trạng thái tích cực

 Mã lệnh (Opcode) từ bộ nhớ được đưa lên bus dữ liệu

 Nội dung của thanh ghi PC tăng lên một đơn vị để chuẩn bị tìm nạplệnh kế tiếp từ bộ nhớ

 Thao tác giải mã - thực hiện lệnh:

9

 Mã lệnh từ thanh ghi IR được đưa vào đơn vị giải mã lệnh và điều khiển.

 Đơn vị giải mã lệnh và điều khiển sẽ thực hiện giải mã opcode và tạo racác tín hiệu để điều khhiển việc xuất nhập dữ liệu giữ ALU và cácthanhghi

 Căn cứ trên các tín hiệu điều khiển này, ALU thực hịên các thao tác đãđược xác định

 Một chuỗi các lệnh (Opcode) kết hợp lại với nhau để thực hiện một côngviệc có nghĩa được gọi là chương trình (Program) hay phần mềm

 Bộ nhớ bán dẫn là một khác rất quan trọng của hệ vi xử lý, các chương trình

và dữ liệu đều được lưu giữ trong bộ nhớ

• Sơ lược về cấu trúc và phân loại ROM – RAM:

• ROM (Read Only Memory): bộ nhớ chỉ đọc

• RAM (Random Access Memory): bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (bộnhớ ghi đọc)

1.4.Các chân của chip 89C51:

1.4.1 Sơ đồ khối và chức năng các khối của chip 89C51:

 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 cáckhối trong chip hoạt động

10

 Interrupt control: Điều khiển ngắt _ nhận tín hiệu ngắt từ bean ngoài (INT0\,INT1\), từ bộ định thời (TIMER0, TIMER1) và từ cổng nối tiếp (SERIALPORT), lần lượt đưa 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

 Serial port: Port nối tiếp _ điều khiển việc xuất nhập dữ liệu dưới dạng nối tiếpgiữa trong và ngoài chip thông qua các chân TxD, RxD

 Timer 0, Timer 1: Bộ định thời 0, 1 _ dùng để định thời gian hoặc đếm sự kiện(đếm xung) thông qua các chân T0, T1

 Bus control: Điều khiển bus _ điều khiển hoạt động của hệ thống bus và việc

di chuyển thông tin trên hệ thống bus

 Bus system: Hệ thống bus _ liên kết các khối trong chip lại với nhau

1.4.2 Chức năng các chân của chip 89C51

Chip 89C51 :gồm 40 chân

11

• 2 chân nguồn cấp điện (VCC, VSS)

• 32 chân xuất/nhập

• 6 chân chức năng (EA, ALE, PSEN, XTAL1, XTAL2, RST)

 Port xuất/nhập 8 bit (P0.0 – P0.7)

 Port xuất/nhập 8 bit (P1.0 – P1.7)

 Port xuất/nhập 8 bit (P2.0 – P2.7)

 Port xuất/nhập 8 bit (P3.0 – P3.7)

*Port 0:

- Port 0 (P0.0 – P0.7) có số chân từ 32 – 39

- Port 0 có hai chức năng:

• Port xuất nhập dữ liệu (P0.0 - P0.7) không sử dụng bộ nhớ ngoài

• Bus địa chỉ byte thấp và bus dữ liệu đa hợp (AD0 – AD7) có sử dụng bộ nhớngoài

+ Lưu ý: Khi Port 0 đóng vai trò là port xuất nhập dữ liệu thì phải sử dụng các điệntrở kéo lên bên ngoài

12

- Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 0 đóng vai trò là ngõ vào của dữ liệu(D0 -> D7)

 Port 1:

- Port 1 (P1.0 – P1.7) có số chân từ 1 – 8

- Port 1 có một chức năng:

• Port xuất nhập dữ liệu (P1.0 – P1.7) _ sử dụng hoặc không sử dụng bộ nhớ ngoài

- Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 1 đóng vai trò là ngõ vào của địa chỉbyte thấp (A0 – A7)

 Port 2:

- Port 2 (P2.0 – P2.7) có số chân từ 21 – 28

- Port 2 có hai chức năng:

• Port xuất nhập dữ liệu (P2.0 – P2.7) _ không sử dụng bộ nhớ ngoài

• Bus địa chỉ byte cao (A8 – A15) _ có sử dụng bộ nhớ ngoài

- Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 2 đóng vai trò là ngõ vào của địa chỉbyte cao (A8 – A11) và các tín hiệu điều khiển

 Port 3:

- Port 3 (P3.0 – P3.7) có số chân từ 10 – 17

- Port 0 có hai chức năng:

• Port xuất nhập dữ liệu (P3.0 – P3.7) _ không sử dụng bộ nhớ ngoài hoặc các chứcnăng đặc biệt

• Các tín hiệu điều khiển _ có sử dụng bộ nhớ ngoài hoặc các chức năng đặc biệt

- Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 3 đóng vai trò là ngõ vào của các tínhiệu điều khiển

Chức năng của các chân Port3:

13

Hình 2.3: Chức năng của các chân Port3:

PSEN\ = 0 _ trong thời gian CPU tìm-nạp lệnh từ ROM ngoài

PSEN\ = 1 _ CPU sử dụng ROM trong (không sử dụng ROM ngoài)

- Khi sử dụng bộ nhớ chương trình bên ngoài, chân PSEN\ thường được nối vớichân OE\ của ROM ngoài để cho phép CPU đọc mã lệnh từ ROM ngoài

 Chân ALE:

- ALE (Address Latch Enable): cho phép chốt địa chỉ, chân số 30

- Chức năng:

Bit Tên Địa chỉ bit Chức năng

P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của port nối tiếp

P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của port nối tiếp

P3.2 INT0\ B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0

P3.3 INT1\ B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1

P3.4 T0 B4H Ngõ vào của bộ định thời đếm 0

P3.5 T1 B5H Ngõ vào của bộ định thời đếm 1

P3.6 WR\ B6H Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu Ram ngoài

P3.7 RD\ B7H Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu Ram ngoài

14

• Là tín hiệu cho phép chốt địa chỉ để thực hiện việc giải đa hợp cho bus địa chỉbyte thấp và bus dữ liệu đa hợp

(AD0 – AD7)

• Là tín hiệu xuất, tích cực mức cao

ALE = 0 _ trong thời gian bus AD0 – AD7 đóng vai trò là bus D0 – D7

ALE = 1 _ trong thời gian bus AD0 – AD7 đóng vai trò là bus A0 – A7

- Khi lập trình cho ROM trong chip thì chân ALE đóng vai trò là ngõ vào của xunglập trình (PGM\)

Khi lệnh lấy dữ liệu từ RAM ngoài (MOVX) được thực hiện thì 1 xung ALE bị bỏqua

EA\ = 0 _ Chip 89C51 sử dụng chương trình của ROM ngoài

EA\ = 1 _ Chip 89C51 sử dụng chương trình của ROM trong

- Khi lập trình cho ROM trong chip thì chân EA đóng vai trò là ngõ vào của điện áplập trình (Vpp = 12V/89xx, 21V/80xx,87xx)

+ Lưu ý: Chân EA\ luôn luôn phải được nối lên Vcc (sử dụng chương trình củaROM trong) hoặc xuống Vss (sử dụng chương trình của ROM ngoài)

 Chân XTAL1, XTAL2:

- XTAL (Crystal): tinh thể thạch anh, chân số 18-19

• XTAL2 _ ngõ ra mạch tạo xung clock trong chip.

RST = 0 _ Chip 89C51 hoạt động bình thường

RST = 1 _ Chip 89C51 được thiết lặp lại trạng thái ban đầu

- Bộ vi xử lý có không gian bộ nhớ chung cho dữ liệu vàchương trình

- Chương trình và dữ liệu nằm chung trên RAM

- Bộ vi điều khiển có không gian bộ nhớ riêng cho dữ liệu vàchương trình

- Chương trình và dữ liệu nằm riêng trên ROM và RAM

Tổ chức bộ nhớ của chip 89C51:

Hình 2.4: Không gian bộ nhớ của chip 89C51

16

2, Giới thiệu về led ma trận

Led ma trận gồm các led phát quang được bố trí thành hàng và cột trong một

vỏ Các tín hiệu điều khiển cột được nối với Cathode của tất cả các led trên cùngmột cột Các tín hiệu điều khiển hàng cũng được nối với Anode của tất cả các ledtrên cùng một hàng như hình vẽ sau:

Hình 2.5: Led ma trận một màu

Khi có một tín hiệu điều khiển ở cột và hàng, các chân Anode của các Ledtrên hàng tương ứng được cấp điện áp cao, đồng thời các chân Cathode các Ledtrên cột được cấp điện áp thấp Tuy nhiên lúc đó chỉ có một Led sang, vì nó cóđồng thời điện thế cao trên Anode và điện thế thấp trên Cathode Như vậy, khi cómột tín hiệu điều khiển hàng và cột, thì tại một thời điểm chỉ có duy nhất một Ledtại chỗ gặp nhau của hàng và cột là sáng

- Các bảng quang báo với số lượng Led lớn hơn cũng được kết nối theo cấu trúcnhư vậy

17

- Trong trường hớp ta muốn cho sáng đồng thời một số Led rời rạc trên ma trận, đểhiển thị một kí tự nào đó, nếu trong hiển thị tĩnh ta cấp áp cao cho Anode và ápthấp cho Cathode, cho các Led tương ứng mà ta muốn sáng Nhưng khi đó một sốLed ta không mong muốn sáng cũng sẽ sáng, miễn là nó nằm tại vị trí gặp nhau củacác cột và hàng mà ta cấp nguồn Vì vậy trong điều khiển Led ma trận ta không thể

sử dụng phương pháp hiển thị tĩnh mà phải sử dụng phương pháp quét (hiển thịđộng), có nghĩa là ta phải tiến hành cấp tín hiệu điều khiển theo dạng xung quéttrên các hàng và cột có Led cần hiển thị Để đảm bảo cho mắt nhìn thấy Led không

bị nháy, thì tầng số quét nhỏ nhất cho mỗi chu kì đi hết các cột là 20Hz (50ms).Trong lập trình vi điều khiển cho Led ma trận bằng vi xử lý ta cũng phải sử dụngphương pháp quét Led như vậy

- Ở đây chúng em tiến hành ghép các led đơn thành ma trận led theo kiểu kết nối Achung tích cực mức cao

- Ma trận Led có thể là loại chỉ hiển thị được một màu hoặc hiển thị được hai màutrên một điểm, khi đó Led có số chân ra tương ứng:

- Đối với Led ma trận 8x8 hiển thị một màu, thì số chân ra là 16, trong đó 8 chândùng để điều khiển hàng và 8 chân còn lại đề điều khiển cột

- Đối với loại 8x8 có hai màu thì số chân ra của Led là 24 chân, trong đó 8 chândùng để điều khiển hàng chung cho cả hai màu, 16 chân còn lại thì 8 chân dùng đểđiều khiển cột của màu thứ nhất và 8 chân còn lại dùng để điều khiển màu thứ hai

4 IC số 74164

18