thiết kế đồng hồ điện tử bao gồm bộ vi xử lý AT89S52 kết hợp với các IC giải mã 74LS138, hiển thị bằng LED 7 thanh với nguồn cung cấp là 5V

Một hệ vi xử lý được thiết kế tối thiểu bao gồm một bộ vi xử lý đây là khối điều khiển trung tâm, một bộ nhớ RAM, một bộ nhớ cố định ROM và các cổng vào ra số liệu cùng những thiế bị ngo

Năm 1970, công ty Intel cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên, có tên gọi làIntel – 4004, nhằm đáp ứng nhu cầu cần thiết của một công ty kinh doanh làhãng truyền thông BUSICOM Intel – 4004 là kết quả một ý tưởng quantrọng trong sự phát triển kỹ thuật vi xử lý số Đó là một kết cấu logic mà cóthể thay đổi chức năng của nó bằng chương trình ngoài chứ không phát triểntheo hướng một cấu trúc chỉ thực hiện một số chức năng nhất định như trướcđây Do khả năng mềm dẻo hoá trong các thao tác của mình, năm 1970 Intel– 4004 đã trở thành bộ vi xử lý đầu tiên trên thị trường thế giới Intel - 4004

là bộ vi xử lý 4 bits song song, được chế tạo theo quy trình công nghệ MOSkênh cảm ứng loại P Thời gian tối thiểu để thực hiện một lệnh là 10,8µs.Năm 1972, hãng Intel cho xuất xưởng bộ vi xử lý có tên gọi là Intel – 8008.Kiểu này vẫn được chế tạo theo công nghệ PMOS nhưng là laọi 8 bits songsong Bộ vi xử lý này là CPU của máy tính MICRAL do Pháp chế tạo Đếnđây, hàng loạt các hãng điện tử nổi tiếng hàng đầu của hế giới như National,Rockwell, … đã nhanh chóng đi vào công nghệ sản xuất và chế tạo các bộ vi

xử lý

Năm 1974, hãng Intel cho ra đời bộ vi xử lý 8080 – 8 bits song songđược chế tạo theo công nghệ NMOS với thời gian thực hiện một lệnh là 2µs,

đã đánh dấu một bước tiến lớn trên con đường làm chủ tốc độ xử lý tin của

kỹ thuật điện tử hiện đại Các hãng khác cũng cho ra đời những bộ vi xử lý

có tín năng tương ứng: 6800 (Motorola), 8080 (Texas Intrusment), …Năm

1978, laọi 8080 được cải tiến thành loại 8085 Lúc này đã xuất hiện nhữngmáy tính mini sử dụng các bộ vi xử lý nói trên Theo đà đó các thông số cơbản của bộ vi xử lý ngày càng cải thiện: tốc độ nagỳ càng cao (các bộ vi xử

lý hiện đại của Intel đã đạt tới tốc độ 500 – 800 MHz), độ rộng kênh thôngtin ngày càng lớn (các bộ vi xử lý hiện đại của Intel có kênh dữ liệu16/32/64 bit) Điều đó đã giúp cho bài toán thiết kế các hệ vi xử lý chuyêndụng với tính năng rộng lớn trở nên dễ dàng hơn

Một hệ vi xử lý được thiết kế tối thiểu bao gồm một bộ vi xử lý (đây

là khối điều khiển trung tâm), một bộ nhớ RAM, một bộ nhớ cố định ROM

và các cổng vào ra số liệu cùng những thiế bị ngoại vi cần thiết Một hệ vi

xử lý tối đa khôngcó giới hạn về số lượng thành phần, về chức năng thựchiện và về quy mô ứng dụng

Ngày nay, những ứng dụng của vi điều khiển đã đi sâu vào đời sốngsinh hoạt và sản xuất của con người, là một phần tất yếu không thể thiếutrong đời sông hiện đại Thế kỷ 21 được xem là thế kỷ của khoa học côngnghệ, là thế kỷ mà máy móc được thiết kế và lập trình một cách tự động đểthay thế các hoạt động của con người trong sản xuất, cũng như để phục vụcác công việc trong sinh hoạt Trong một cuộc sống mang tính tự động hoácao thì các mạch vi xử lý như là một công cụ đắc lực, quan trọng , hỗ trợ chocon người thực hiện nhu cầu ngày càng cao và càng hoàn thiện của mình

Đang là sinh viên ngồi trên ghế nhà trường, cơ hội tiếp cận, học tậpnhững công nghệ tiên tiến, hiện đại chưa nhiều, nên trong quá trình tự học

và nghiên cứu, nhóm chúng em đã cố gắng tìm hiểu về bộ vi xử lý, cũng nhưcác ứng dụng của nó trong các hệ vi xử lý

Với những gì nghiên cứu được, nhóm chúng em đã làm thực hành ứngdụng thông qua việc thiết kế đồng hồ điện tử Cấu trúc chính của đồng hồđiện tử bao gồm bộ vi xử lý AT89S52 kết hợp với các IC giải mã 74LS138,hiển thị bằng LED 7 thanh với nguồn cung cấp là 5V

B NỘI DUNG

I Giới thiệu về họ vi xử lý 8051

1.1 Tóm tắt lịch sử họ vi xử lý 8051

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 chíp,hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng (đều rộng 8 bit) vào ra tất cảđược đặt trên một chíp Lúc ấy nó được coi là một “hệ thống trên chíp” Vi

xử lý 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8bit dữ liệu tại một thời điểm Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dữliệu 8 bit để cho xử lý Vi xử lý 8051 có tất cả 4 cổng vào – ra I/O, mỗi cổngrộng 8 bit Mặc dù 8051 có thể có một ROM trên chíp cực đại là 64KB,nhưng các nhà sản xuất lúc đó đã cho xuất xưởng chỉ với 4KB ROM trênchíp

Vi xử lý 8051 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sảnxuất khác sản xuất và bán bất kỳ dạng biến thể nào của 8051 mà họ thích vớiđiều kiện họ phải để lại mã tương thích với 8051 Điều này dẫn đến sự ra đờinhiều phiên bản của 8051 với tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trênchíp khác nhau được bán bởi hơn nửa các nhà sản xuất Điều này quan trọng

là mặc dù có nhiều biến thể khác nhau của 8051 về tốc độ và dung lượngnhớ ROM trên chíp nhưng tất cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu vềcác lệnh Điều này có nghĩa là nếu ta viết chương trình của mình cho mộtphiên bản nào đó thì nó cũng sẽ chạy với mọi phiên bản bất kỳ khác màkhông phân biệt nó từ hãng sản xuất nào

Hình 1 Bố trí bên trong của khối 8051

1.2 Các thành viên khác của họ 8051

a Bộ vi điều khiển 8052:

Bộ vi điều khiển 8052 có tất cả các đặc tính chuẩn của 8051 ngoài ra nócòn có thêm 128 byte RAM và một bộ định thời Nó cũng có 8KB ROM trênchíp thay vì 4KB như 8051

c.Các bộ vi điều khiển 8051 từ các hãng khác nhau:

- Bộ vi điều khiển 8751:

Chíp 8751 chỉ có 4KB bộ nhớ UV-EPROM trên chíp Sử dụng chíp này

để phát triển yêu cầu truy nhập đến một bộ đốt PROM cũng như bộ xoá EPROM để xoá nội dung của bộ nhớ UV-EPROM bên trong trước khi ta cóthể lập trình lại nó Do một thực tế là ROM trên chíp đối với 8751 là

UV-UV-EPROM nên cần phải mất 20 phút để xoá đi trước khi nó có thể lậptrình trở lại

- Bộ vi điều khiển AT89C51:

Chíp 8951 có ROM trên chíp ở dạng bộ nhớ Flash Điều này là lý tưởngđối với những phát triển nhanh vì bộ nhớ Flash có thể được xoá trong vàigiây trong tương quan so với 20 phút hoặc hơn mà 8751 yêu cầu Vì lý donày mà AT89C51 dùng để phát triển một hệ thống dựa trên bộ vi điều khiểnyêu cầu một bộ đốt ROM mà có hổ trợ bộ nhớ Flash Tuy nhiên lại khôngyêu cầu xoá ROM

Hình 2 Các phiên bản của 8051 từ Atmel ( Flash Rom)

II Các thành phần của mạch đồng hồ điện tử

2.1 Vi điều khiển AT89S52

2.1.1 Tổng quan về vi điều khiển AT89S52

AT89S52 là một vi điều khiển 8 bit họ CMOS có công suất thấp, hiệusuất cao với 8k bytes bộ nhớ Flash có thể lập trình trong hệ thống

Cấu trúc ở dạng sơ đồ khối tổng quát:

 Cấu trúc bus

Bus địa chỉ của họ vi điều khiển 8051 gồm 16 dường tín hiệu ( thường gọi

là bus địa chỉ 16 bit ) Với số lượng bít địa chỉ như trên, không giannhớ của chip được mở rộng tối đa 65536 địa chỉ Bus dữ liệu của

họ vi điều khiển 8051 gồm 8 đường tín hiệu ( thường gọi là bus dữliệu 8 bit ) vì thế 8051 là họ vi điều khiển 8 bit Với độ rộng của bus dữliệu như vậy,các chip của họ 8051 có thể xử lý các nguồn dữ liệu 8 bit trogmột chu kỳlệnh, nếu lớn hơn 8 bít thì dc chia thành nhiều dữ liệu 8 bit để xửlý

 CPU ( Central Processing Unit )

CPU là đơn vị xử lý trung tâm, đó là bộ não của toàn bộ hệ thống viđiện tử được tích hợp trên chip vi điều khiển CPU ca cấu tạochính là một đơn vị xử lý số học và logic ALU ( Arithmethic LogicUnit ) là nơithực hiện tất cả các phép toán số học và phép logic cho quátrình xử lý

 Bộ nhớ chương trình ( Program Memory )

Không gian bộ nhớ chương trình của AT89 là 64K , tuy nhiên hầu hếtcác vi điều khiển AT89 trên thị trường chỉ tích hợp sẵn trênchip một lượng bộ nhớ chương trình nhất định và chiếm dải địa chỉ từ0000h trở đi AT89s52 có 4k bộ nhớ chương trình loại Flash tíchhợp sẵn bên trong chip Đây là bộ nhớ cho phép ghi/xóanhiều lần Bộ nhớ chương trình được dùng để chứa mã chương trìnhnạp vào chip Mỗi lệnh được mã hóa bởi một hoặc vài byte, dung lượngcủa bộ nhớ chương trình phản ánh số lượng lệnh mà bộ nhớ cóthể chứa được bộ nhớ đầu tiên của bộ nhớ chương trình là0x0000 chính là địa chỉ RESET của 8051 Ngay sau khi reset (dotắt/bật nguồn, do mức điện áp tại chân reset bị kéo lên 5V …), CPU

sẽ chảy đến thực hiện lệnh dặt tại địa chỉ này trước tiên, luôn luôn

là như vậy, phần còn trống trong không gian chương trình khôngđược d ù n g N ế u m u ố n m ở r ộ n g b ộ n h ớ c h ư ơ n g t r ì n h t a

p h ả i d ù n g b ộ n h ớ ngoài Khi dùng bộ nhớ ngoài thì bộ nhớtrong của chip sẽ không được dùng nữa và nó chiếm dải địa chỉ ngay từ0x0000

 Bộ nhớ dữ liệu ( Data Memory )

8051 có bộ nhớ dữ liệu là 64k địa chỉ, đó cũng là dung lượng bộnhớ dữ liệu lớn nhất trong họ 8051 Đây chính là nơi chứa các biến trunggian trong quá trình chip hoạt động

Đối với các chip có bộ nhớ SRAM 128 byte thì địa chỉ của cácbyte SRAM này được đánh số từ 00H đến 7FH Đối với các chip cóbộnhớ SRAM 256 byte thì địa chỉ của các byte trong SRAM được đánhsốtừ 00H đến FFh SRAM có địa chỉ từ 00H – 7FH là vùng RAMthấp vàphần có địa chỉ từ 80H – FFH là vùng RAM cao

 Cổng vào/ra song song (I/O Port)

8051 có 4 cổng vào/ra song song là P0, P1, P2, P3 Tất cả các cổng này đều

là cổng vào/ra cả hai chiều 8 bit Các bit của mỗi cổng là một chântrên chip, như vậy mỗi cổng sẽ có 8 chân trên chip

Cổng P0 không có điện trở treo cao bên trong, mạch lái tạo mức caochỉ có khi sử dụng cổng này với tính năng là bus dồn kênh địa chỉ/dữ liệu.như vậy với chức năng ra thông thường thì P0 là cổng ra cònvớichức năng vào thì P0 là cổng vào cao trở Nếu muốn sửdụng P0 làmcổng vào/ra thông thường ta phải thêm điện trở bên ngoài Giátrị điện trở bên ngoài thường là 4k – 10k Các cổng P1, P2, P3 đều cóđiện trở bên trong, do đó có thể dùngvới các chức năng cổng vào/rathông thường mà không cần thêm điện trở ngoài Thực chất điện trở bênngoài các FET không phải điện trở tuyến tính thông thường nhưngkhả năng tạo dòng ra của mạch lái khi đầu ra ở mức cao ( hoặc khi làđầu vào ) rất nhỏ, chỉ khoảng 100 micro Ampe.

 Cổng vào ra nối tiếp ( Serial Port )

Cổng này thường chỉ được sử sụng khi giao tiếp với máy tínhhoặc giao tiếp với vi điều khiển khác Cổng nối tiếp có hai thanhghi SCON, SBUF và PCON Thanh ghi PCON không định địa chỉ bit

và có bít 7 là SMOD quy định tốc độ truyền của cổng nối tiếp(tốc độ gấp đôi nếu SMOD = 1 và không gấp đôi nếu SMOD=0)

 Ngắt ( Interrupt)

8051 chỉ có một số ít các nguồn ngắt hay gọi là nguyên nhânngắt Mỗi ngắt có một vector ngắt riêng đó là một địa chỉ cố định nằmtrong bộ nhớ chương trình Khi sảy ra ngắt thì CPU sẽ tự độngchuyển đến thực hiện lệnh tại địa chỉ này

Để cho phép một ngắt ngoài thì bit tương ứng với ngắt đó vàbit EA phải được đặt bằng 1 Thanh ghi IE là thanh định địa chỉ bitnên có thể dùng các lệnh tác động bit để tác động riêng lẻ lên từng bit màkhông làm anh hưởng đến các giá trị bit khác Cờ ngắt hoạtđộng độc lập với việc cho phép ngắt, điều đó có nghĩa là cờ ngắt sẽ tựđộng đặt lên bằng 1 khi có sự kiện gây ngắt sảy ra bất kể sự kiện đó

có được cho phép ngắt hay không Do vậy, trước khi cho phép mộtngắt ta nên xóa cờ ngắt đó để đảm bảo sau khi cho phép các sựkiện gây ngắt trong quá khứ không thể gây ngắt nữa 8051 có hai ngắtngoài là INT0 và INT1 Ngắt ngoài được hiểu là ngắt được gây ra bởi

sự kiện mức logic 0 ( mức điện áp thấp gần về 0V ) hoặc sườn xuống( sự chuyển mức điện áp từ mức cao về mức thấp ) sảy ra ở chânngắt tương ứng (P3.2 với ngắt ngoài 0 và P3.3 với ngắt ngoài 1) Việclựa chọn kiểu ngắt được thực hiện bằng các bit IT(InterruptType) nằm trong thanh ghi TCON Đây là thanh ghiđiều khiển timer nhưng 4 bit LSB ( bit 0 - 3) được dùng cho các ngắtngoài

Khi ITx = 1 thì ngắt ngoài tương ứng được chọn kiểu là ngắt theosườn xuống, ITx = 0 thì ngắt theo mức thấp Các bit IE là các bit cờ ngắtngoài chỉ có tác dụng trong trường hợp ngắt theo sườn xuống, khikiểu ngắt theo sườn xuống được chọn thì ngắt sẽ sảy ra duy nhấtmột lần khi có sườn xuống của tín hiệu, sau đó khi tín hiệu ở mức thấphoặc sườn lên hay ở mức cao cũng không sảy ra ngắt cho đến khi cósườn xuống tiếp theo Cờ ngắt IE sẽ có khi có sườn xuống và tựđộng bị xóa khi CPU bắt đầu xử lý ngắt Nếu kiểu ngắt ở mức thấp

được chọn thì ngắt sẽ xảy ra bất kỳ khi nào tín hiệu tại chânngắt ở mức thấp và cờ ngắt IE không được sử dụng Thông thườngthì người ta chọn ngắt theo sườn xuống.

 Bộ định thời/ bộ đếm (Timer/Counter)

AT89S52 có 3 bộ định thời 16 bit là Timer0, Timer1, Timer2 Giá trị đếmmax là 65536 Các bộ định thời hoạt động độc lập với nhau Sau khi chophép hoạt động thì cứ có thêm một xung tại đầu vào đếm thì giá trịcủa Timer tăng thêm một đơn vị Khi tăng đến giá trị max thìtimer tự động được đưa về giá trị min (thông thường min=0) Sựkiện gọi là tràn timer và có thể gây ra ngắt nếu tràn timer được cho phép (bit ETx=1) Việc cho Timer hoạt động hay dừng được thựchiện bởi các bít TR trong thanh ghi TCON ( đánh địa chỉ từng bit)

TRx = 1 thì Timer hoạt động, TRx = 0 thì Timer không hoạt động dù vẫn

có xung vào Khi dừng đếm, giá trị của timer giữ nguyên.Các bit TFx là các cờ báo tràn của timer, khi sự kiện trànxảy ra cờ tràn sẽ tự động được đặt bằng 1 và nếu ngắt tràn timerđược cho phép thì ngắt sẽ xảy ra Khi CPU xử lý ngắt tràn timer cờ ngắtTFx tương ứng sẽ tự động được xóa băng phần mềm Giá trị đếm

16 bit của timer được lưu trong thanh ghi THx ( byte cao) vàthanh TLx ( byte thấp ) Hai thanh ghi nàycó thể ghi đọc bất kỳ lúc nào.Tuy nhiên nên dừng timer (TRx = 0) trước khi ghi/đọc các thanh ghichứa giá trị đếm các timer có thể hoạt động theo nhiều chế độđược quy đinh bởi các bit trong thanh TMOD Để xác định thời gian người

ta chọn nguồn xung nhịp (clock) đưa vào đếm trong timer là xungnhịp bên trong( dành cho CPU) Nguồn xung clock này thường cótần số ổn định, do đó từ số đếm của timer ta có thể xác định thời gian

thực Để đếm các sự kiện bên ngoài ta chọn xung vuông để đưa vàotimer (0V/5V) Các tín hiệu này sẽ được nối với các bit cổngdồn kênh thêm các tính năng T0/T1/T2 Khi có sự thay đổi mứcxung thì timer sẽ tăng t h ê m m ộ t đ ơ n v ị c h o đ ế n l ú c t r à n V à

l ú c n à y n g ư ờ i t a g ọ i t i m e r l à counter

2.1.2 Sơ đồ chân

Vi xử lý AT89S52 có 40 chân thì có 32 chân dành cho các cổng P0, P1, P2

và P3 với mỗi cổng có 8 chân Các chân còn lại được dành cho nguồn Vcc,đất GND, các chân giao động XTAL1 và XTAL2, tái lập RST, cho phépchốt địa chỉ ALE, truy cập được địa chỉ ngoài EA, cho phép cất chươngtrình PSEN

- Chân Vcc: Chân số 40 là Vcc cấp điện áp nguồn cho chíp Nguồn điện áp

là 5V

- Chân GND: Chân số 20 là GND, nối đất.

- Chân XTAL1 và XTAL2 : Vi xử lý AT89S52 có một bộ dao động trên

chíp nhưng nó yêu cầu có một xung đồng hồ ngoài để chạy nó Bộ giao độngthạch anh thường xuyên nhất được nối với các chân đầu vào XTAL1 (chân19) và XTAL2 (chân 18) Bộ giao động thạch anh được nối với thạch anhcần có hai tụ điện giá trị 22pF Một phía của tụ điện được nối xuống đất

- Chân RST

Chân số 9 là chân tái lập RESET Nó là một đầu vào và có mức tích cực cao(bình thường ở mức thấp) Khi cấp xung cao tới chân này thì bộ vi điềukhiển sẽ tái lập và kết thúc mọi hoạt động Khi kích hoạt tái bật nguồn sẽlàm mất mọi giá trị trên thanh ghi

- Chân EA:

Các thành viên của họ 8051 đều có ROM trên chíp lưu cất chương trình.Trong các trường hợp như vậy thì chân EA được nối với Vcc Đối vớinhững họ không có bộ nhớ ROM thì mã chương trình được lưu cất trên bộnhớ ROM ngoài và chúng được nạp cho chíp Do vậy đối với những loại nàythì chân EA phải đượ nối đất để bảo rằng mã chương trình được cất ở ngoài

Chân EA có nghĩa là truy cập ngoài, là chân số 31 Nó là một chân đầu vào

và phải được nối với Vcc hoặc GND

- Chân PSEN :

Đây là chân đầu ra cho phép cất chương trình trong hệ thống Với nhữngchíp chương trình được cất ở bộ nhớ ROM ngoài thì chân này được nối tớichân OE của ROM

- Cổng P1 :

Cổng P1 cũng chiếm tất cả 8 chân ( từ chân 1 đến 8), nó có thể được sử dụngnhư đầu vào hoặc đầu ra So với cổng P0 thì cổng này không cần đến điện trở kéo vì nó đã có các điện trở kéo bên trong Trong quá trình tái lập thì công P1 được cấu hình như một cổng đầu ra Để biến cổng P1 thành đầu vàothì nó phải được lập trình bằng cách ghi 1 đến tất cả các bit của nó

AT89S52 có chức năng nạp ISP qua các cổng P1.5, P1.6, P1.7

- Cổng P2 :

Cổng P2 cũng chiếm 8 chân ( từ chân 21 đến 28), nó có thể được sử dụngnhư đầu vào hoặc đầu ra giống như cổng P1, cổng P2 cũng không cần điệntrở kéo vì nó đã có các điện trở kéo bên trong Khi tái lập, cổng P2 được cấuhình như một cổng đầu ra Để tạo cổng P2 như đầu vào thì nó phải được lậptrình bằng cách ghi số 1 với tất cả các chân của nó.

Trong hệ thống chíp có bộ nhớ ROM thì P2 được sử dụng như đầu ra đơngiản Tuy nhiên trong hệ thống chíp cần bộ nhớ ROM ngoài thì cổng P2 phảiđược dùng cùng với P0 để tạo ra địa chỉ 16 bit đối với bộ nhớ ngoài Vì cácloại chíp này có khả năng trung cập 64 KB bộ nhớ ngoài, nó cần một địa chỉ

16 bit Trong khi P0 cung cấp 8 bit thấp từ A1 – A7 Công việc của P2 làcung cấp các bit địa chỉ cao từ A8 – A15

- Cổng P3 :

Cổng P3 chiếm tổng cộng 8 chân (từ chân 10 đến chân 17) Nó có thể được

sử dụng như đầu vào hoặc đầu ra Cổng P3 cũng không cần điện trở kéo.Mặc dù cổng P3 được cấu hình như một đầu ra khi tái lập, nhưng đây khôngphải là cách nó được sử dụng phổ biến nhất Cổng P3 có chức năng bổ sung

là cung cấp một số tín hiệu quan trọng đặc biệt chẳng hạn như ngắt

Các bit P3.0 và P3.1 được dùng cho các tín hiệu nhận và phát dữ liệu trongtruyền thông dữ liệu nối tiếp Các bit P3.2 và P3.3 được dùng cho các ngắt

ngoài Các bit P3.4 và P3.5 được dùng cho các bộ định thêm 0 và 1 Các bitP3.6 và P3.7 được cấp cho tín hiệu ghi và đọc các bộ nhớ ngoài được nói tớitrong các chíp không có bộ nhớ ROM trên chíp.