Nghiên cứu ứng dụng điều khiển pic
LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay kỹ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành kỹ thuật và trong dân dụng. Các bộ vi điều khiển có khả năng xử lý nhiều hoạt động phức tạp mà chỉ cần một chip vi mạch nhỏ, nó đã thay thế các tủ điều khiển lớn và phức tạp bằng những mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng. Vi điều khiển không những góp phần vào kỹ thuật điều khiển mà còn góp phần to lớn vào việc phát triển thông tin. Chính vì các lý do trên, việc tìm hiểu vi điều khiển là điều mà các sinh viên ngành điện phải hết sức quan tâm. Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để vận hành và sử dụng đươc lại là một điều rất phức tạp. Phần công việc xử lý chính vẫn phụ thuộc vào con người, đó chính là chương trình hay phần mềm. Nếu không có sự tham gia của con người thì hệ thống vi điều khiển cũng chỉ là một vật vô tri. Do vậy khi nói đến vi điều khiển cũng giống như máy tính bao gồm 2 phần là phần cứng và phần mềm. Để tìm hiểu bộ vi điều khiển một cách khoa học và mang lại hiệu quả cao làm nền tản cho việc xâm nhập vào những hệ thống tối tân hơn. Việc trang bị những kiến thức về vi điều khiển cho sinh viên là hết sức cần thiết. Xuất phát từ thực tiển này em đã đi đến quyết định “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển Pic” nhằm đáp ứng nhu cầu ham muốn học hỏi của bản than và giúp cho các bạn sinh viên dễ tiếp cận và hiểu sâu hơn về vi điều khiển Pic. Trong quá trình thực hiện đề tài vẫn còn nhiều sai sót, mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ thầy và các bạn. Em chân thành cảm ơn! 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 1.1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN. 1.1.1 Lịch sử phát triển của bộ vi xử lí và bộ vi điều khiển Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật viđiện tử mà đặc trưng là kỹ thuật vi xử lí đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của khoa học tính toán, điều khiển và xử lí thông tin. Kỹ thuật vi xử lí đóng một vai trò rất quan trọng trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống và khoa học kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực Tin học và Tự động hóa. Năm 1971, hãng Intel đã cho ra đời bộ vi xử lí (microprocessor) đầu tiên trên thế giới tên gọi là Intel-4004/4bit , nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết của một công ty kinh doanh là hãng truyền thông BUSICOM. Intel-4004là kết quả của một ý tưởng quan trọng trong kỹ thuật vi xử lí số. Đó là một kết cấu logic mà có thể thay đổi được chức năng của nó bằng chương trình ngoài chứ không phát triển theo hướng tạo ra một cấu trúc cứng chỉ thực hiện một số chức năng nhất định như trước đây. Sau đó, các bộ vi xử lí mới liên tục được đưa ra thị trường và ngày càng được phát triển, hoàn thiện hơn trong các thế hệ sau : Vào năm 1972, hãng Intel đưa ra bộ vi xử lí 8-bit đầu tiên với tên Intel- 8008/8bit. Từ 1974 đến 1975 , Intel chế tạo các bộ vi xử lí 8-bit 8080 và 8085A. Cũng vào khoảng thời gian này, một loạt các h!ng khác trên thế giới cũng đã cho ra đời các bộ vi xử lí tương tự như : 6800 của Motorola với 5000 tranzitor, Signetics 2 6520, 1801 của RCA, kế đến là 6502 của hãng MOS Technology và Z80 của hãng Zilog. Vào năm 1976 Intel giới thiệu bộ vi điều khiển(microcontroller) 8748, một chip tương tự như các bộ vi xử lí và là chip đầu tiên trong họ vi điều khiển MCS- 48.8748 là một vi mạch chứa trên 17000 transistor, bao gồm một CPU, 1K byte EPROM, 64 byte RAM, 27 chân xuất nhập và một bộ định thời 8-bit. IC này và các IC khác tiếp theo của họ MCS-48 đã nhanh chóng trở thành chuẩn công nghiệp trong các ứng dụng hướng điều khiển (control-oriented application). Năm 1978 xuât hiện Intel 8086 là loại bộ xi xử lý 16 bit với 29.000 tranzitor, Motorola 68000 tích hợp 70.000 tranzitor, APX 432 chứa 120.000 tranzitor. Bộ vi xử lý của Hewlet Pakard có khoảng 450.000 tranzitor. Từ năm 1974 đến 1984 số tranzitor tích hợp trong một chip tăng khoảng 100 lần. Năm 1983, Intel đưa ra bộ vi xử lý 80286 dung trongcác máy vi tinh họ AT (Advanced Technology). 80286 sử dụng I/O 16 bit, 24đường địa chỉ và không gian nhớ địa chỉ thực 16MB. Năm 1987, Intel đưa ra bộ vixử lý 80386 32-bit. Năm 1989 xuất hiện xuất hiện bộ vi xử lý Intel 80486 là cảI tiến của Intel 80386 với bộ nhớ ẩn và mạch tính phép toán đại số dấu phẩy động. Năm 1992, xuất hiện Intel 80586 còn gọi là Pentium 64 bit chứa 4 triệu tranzitor. 3 Hình 1.1 Số tranzitor tích hợp trong một chip của bộ vi xử lý Intel 8086 Độ phức tạp, sự gọn nhẹ về kích thước và khả năng của các bộ vi điều khiển được tăng thêm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi Intel công bố chip 8051, bộ vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS-51. Sovới 8048, chip 8051 chứa trên 60.000 transistor bao gồm 4K byte ROM, 128 byte RAM, 32 đường xuất nhập, 1 port nối tiếp và 2 bộ định thời 16-bit – một số lượng mạch đáng chú ý trong một IC đơn. Từ các bộ vi xử lý ban đầu chỉ là các bộ xử lý trung tâm trong một hệ thống, không thể hoạt động nếu thiếu các bộ phận như RAM, ROM, bo mạch chủ các hưng đã phát triển các bộ vi xử lý này lên thành các bộ vi điều khiển để phục vụ các mục đích riêng biệt, khác nhau trong công nghiệp. Một bộ vi điều khiển là một 4 hệ vi xử lí thật sự được tổ chức trong một chip(trong một vỏ IC) bao gồm một bộ vi xử lí (microprocessor), bộ nhớ chương trình (ROM), bộ nhớ dữ liệu (RAM), tuy không bằng dung lượng RAM ở các máy vi tính nhưng đây không phải là một hạn chế vì các bộ vi điều khiển được thiết kế cho một mục đích hoàn toàn khác, ngoài ra trên chip còn có bộ xử lý số học-logic (ALU) cùng với các thanh ghi chức năng, các cổng vào/ra, cơ chế điều khiển ngắt, truyền tin nối tiếp, các bộ định thời Hiện nay, các bộ vi điều khiển được sử dụng rất rộng rãi và ngày càng được chuẩn hóa để có thể sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, có mặt trong nhiều máy móc, trong các hàng tiêu dùng. 1.1.2 Ưu và khuyết điểm của các bộ vi điều khiển Các công việc được thực hiện bởi các bộ vi điều khiển thì không mới. Điều mới là các thiết kế hiện thực với ít thành phần hơnso với các thiết kế trước đó. Các thiết kế trước đó đòi hỏi phải vài chục hoặc vài trăm IC để hiện thực nay chỉ cần một ít thành phần trong đó bao gồm bộ vi điều khiển. Số thành phần được giảm bớt, hiệu quả trực tiếp của tính khả lập trình của các bộ vi điều khiển và độ tích hợp cao trong công nghệ chế tạo vi mạch, thường chuyển thành thời gian phát triển ngắn hơn, giá thành khi sản xuất thấp hơn, công suất tiêu thụ thấp hơn và độ tin cậy cao hơn. Vấn đề ở đây là tốc độ. Các giải pháp dựa trên bộ vi điều khiển không bao giờ nhanh bằng giải pháp dựa trên các thành phần rời rạc. Những tình huống đòi hỏi phải đáp ứng thật nhanh (cỡ nsec) đối với các sự kiện (thường chiếm thiểu số trong các ứng dụng) sẽ được quản lý tồi khi dựa vào các bộ vi điều khiển. Tuy nhiên trong vài ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến con người, các khoảng thời gian trễ tính bằng nsec, usec hoặc thậm chí msec là 5 không quan trọng. Việc giảm bớt các thành phần là một điều lợi như đã đề cập, các thao tác trong chương trình điều khiển làm cho thiết kế có thể thay đổi bằng cách thay đổi phần mềm. Điều này có ảnh hưởng tối thiểu đến chu kỳ sản xuất. Do đó các bộ vi điều khiển có thể được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng phục vụ con người. Để có thể hiểu rõ hơn về các bộ vi điều khiển, chúng ta sẽ tìm hiểu về một số các họ vi điều khiển của một số hãng điện tử điển hình đang được sử dụng rộng rãi trong khoa học kỹ thuật và đời sống. 1.1.3 Phân loại 1.1.3.1 Độ dài thanh ghi Dựa vào độ dài của các thanh ghi và các lệnh của vi điều khiển mà người ta chia ra các loại vi điều khiển 8bit, 16bit, hay 32bit Các loại vi điều khiển 16bit do có độ dài lệnh lớn hơn nên các tập lệnh cũng nhiều hơn, phong phú hơn. Tuy nhiên bất cứ chương trình nào viết bằng vi điều khiển 16bit chúng ta đều có thể viết trên vi điều khiển 8bit với chương trình thích hợp. 1.1.3.2 Kiến trúc CISC và RISC vi xử lí hoặc vi điều khiển CISC là vi điều khiển có tập lệnh phức tạp. Các vi điều khiển này có một số lượng lớn các lệnh nên giúp cho người lập trình có thể linh hoạt và dễ dàng hơn khi viết chương trình. vi điều khiển RISC là vi điều khiển có tập lệnh đơn giản. Chúng có một số lương nhỏ các lệnh đơn giản. DO đó, chúng đòi hỏi phần cứng ít hơn, giá thành thấp hơn, và nhanh hơn so với CISC. Tuy nhiên nó đòi hỏi người lập trình phải viết các chương trình phức tạp hơn, nhiều lệnh hơn. 1.1.3.3 Kiến trúc Harvard và kiến trúc Vonneumann Kiến trúc Harvard sử dụng bộ nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu. Bus địa chỉ và bus dữ liệu độc lập với nhau nên quá trình truyền nhận dữ liệu đơn giản hơn Kiến trúc Vonneumann sử dụng chung bộ nhớ cho chương trình và dữ liệu. Điều 6 này làm cho vi điều khiển gọn nhẹ hơn, giá thành nhẹ hơn. 1.1.4 Cấu trúc tổng quan của vi điền khiển CPU Là trái tim của hệ thống. Là nơi quản lí tất cả các hoạt động của vi điều khiển. Bên trong CPU gồm: - ALU là bộ phận thao tác trên các dữ liệu - Bộ giải mã lệnh và điều khiển, xác định các thao tác mà CPU cần thực hiện - Thanh ghi lệnh IR, lưu giữ opcode của lệnh được thực thi - Thanh ghi PC, lưu giũ địa chỉ của lệnh kế tiếp cần thực thi - Một tập các thanh ghi dùng để lưu thông tin tạm thời 1.1.4 .1 Rom ROM là bộ nhớ dùng để lưu giữ chương trình. ROM còn dùng để chứa số liệu các bảng, các tham số hệ thống, các số liệu cố định của hệ thống. Trong quá trình hoạt động nội dung ROM là cố định, không thể thay đổi, nội dung ROM chỉ thay đổi khi ROM ở chế độ xóa hoặc nạp chương trình. 1.1.4.2 Ram RAM là bộ nhớ dữ liệu. Bộ nhớ RAM dùng làm môi trường xử lý thông tin, lưu trữ các kết quả trung gian và kết quả cuối cùng của các phép toán, xử lí thông tin. Nó cũng dùng để tổ chức các vùng đệm dữ liệu, trong các thao tác thu phát, chuyển đổi dữ liệu. 1.1.4.3 Bus BUS là các đường dẫn dùng để di chuyển dữ liệu. Bao gồm: bus địa chỉ, bus dữ liệu , và bus điều khiển 1.1.4.4 Bộ định thời: Được sử dụng cho các mục đích chung về thời gian. 1.1.4.5 Watchdog: Bộ phận dùng để reset lại hệ thống khi hệ thống gặp “bất 7 thường”. 1.1.4.6Adc: Bộ phận chuyển tín hiệu analog sang tín hiệu digital. Các tín hiệu bên ngoài đi vào vi điều khiển thường ở dạng analog. ADC sẽ chuyển tín hiệu này về dạng tín hiệu digital mà vi điều khiển có thể hiểu được. 1.1.5 Một số loại vi điều khiển thông dụng 1.1.5.1 Vi điều khiển 8051. Intel 8051 - là vi điều khiển đơn tinh thể kiến trúc Harvard, lần đầu tiên được sản xuất bởi Intel năm 1980, để dùng trong các hệ thống nhúng. Trong những năm 1980 và đầu những năm 1990 đã rất nổi tiếng. Tuy nhiên hiện tại đã cũ và được thay thế bằng các thiết bị hiện đại hơn, với các lõi phối hợp 8051, được sản xuất bởi hơn 20 nhà sản xuất độc lập như Atmel, Maxim IC (công ty con của Dallas Semiconductor), NXP Semiconductors (Philips Semiconductor trước đây), Winbond, Silicon Laboratories, Texas Instruments và Cypress Semiconductor. Tên gọi chính thức của họ vi điều khiển Intel 8051 - MCS 51. Những vi điều khiển Intel 8051 được sản xuất với việc dùng công nghệ MOSFET, những những bản sau, chứa kí hiệu “C” trong tên, như 80C51, dùng công nghệ CMOS và yêu cầu công suất thấp, hơn những cái MOSFET trước (điều này cho phép trang bị cho các thiết bị với nguồn là pin). Các thông số kỹ thuật: 8 bit ALU, 8 bit thanh ghi. 8 bit dữ liệu bus 16 bit địa chỉ bus vì vậy không gian bộ nhớ tối đa cho ROM và RAM lên tới 64 kb Bộ nhớ dữ liệu SRAM 128 bytes Bộ nhớ chương trình ROM 4 kb. 32 chân vào/ra đa hướng. Giao tiếp nối tiếp UART. 8 Hai bộ timer/counter 16 bit. Hai ngắt ngoài. Hình 1.1: Sơ đồ chân của 8051: 9 Hình 1.2 : Sơ đồ khối điều khiển: Lập trình cho 8051: Các nhà sản xuất 8051 đều hỗ trợ ngôn ngữ lập trình Assembler tuy nhiên ngôn ngữ 10 [...]... AVR : điều khiển động cơ, điều khiển nhiệt độ, truyền dữ liệu không dây… 1.3 ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI 18 Đồ án gồm 3 mục chính như sau: - Khái quát về vi điều khiển : giới thiệu một số họ vi điều khiển thông dụng và ứng dụng của các họ vi điều khiển - Giới thiệu về vi điều khiển Pic1 6F877A - Ứng dụng vi điều khiển Pic : cụ thể là ứng dụng điều khiển các Port I/O bằngPic16F877A 19 CHƯƠNG 2 : VI ĐIỀU KHIỂN PIC. .. vi điều khiển AVR AT90Sxxxx - vi điều khiển PIC 16C5x, 17C43 Ứng dụng của một số vi điều khiển: - Vi điều khiển MCS-51: có rất nhiều ứng dụng trong đời sống, đơn giản như điều khiển các đèn led, đồng hồ báo thức, lịch vạn niên, máy đo nhiệt độ - Vi điều khiển PIC : được sự dụng để điều khiển các Port I/O, điều khiển động cơ, hỗ trợ giao tiếp USB, làm các mạnh đo nhiệt độ, đồng hồ số… - Vi điều khiển. .. flash (ví dụ PIC1 6F877 là EEPROM, còn PIC1 6F877A là flash) Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất Cách lựa chọn một vi điều khiển PIC phù hợp: - Trước hết cần chú ý đến số chân của vi điều khiển cần thiết cho ứng dụng Có nhiều vi điều khiển PIC với số lượng chân khác nhau, thậm chí có vi điều khiển chỉ... VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 2.1.1 Pic là gì? PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là “máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ: PIC1 650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600 Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày... Hiện nay vi điều khiển đang được sử dụng rất rộng rãi ở nước ta và các nước trên thế giới như Mỹ, Nhật, Đức ….Vi điều khiển có vai trò cực kì quan trọng và không thể thay thế Điều đó đã được minh chứng bằng các ứng dụng quan trọng của vi điều khiển trong đời sống của chúng ta Một số loại vi điều khiển có trên thị trường hiện nay: - vi điều khiển MCS-51: 8031, 8032, 8051, 8052, - vi điều khiển ATMEL:... vi điều khiển với kiến trúc RISC thực thi một lệnh với một chu kỳ máy (bằng bốn chu kỳ của bộ dao động) Ngày nay có nhiều dòng PIC được sản xuất với hàng loạt các mô đun ngoại vi tích hợp sẵn như ADC, PWM, USART, SPI…với bộ nhớ chương trình từ 512 word đến 32 Kword Các họ vi điều khiển PIC: - Họ 8 bit: PIC 10/ PIC 12/ PIC 16/ PIC 18 - Họ 16 bit: PIC 24F/ PIC 24H/ dsPIC 30/ dsPIC 33 - Họ 32 bit: PIC. .. xong 23 2.1.5 Các dòng Pic và cách lựa chọn vi điều khiển Pic Các kí hiệu của vi điều khiển PIC: - PIC1 2xxxx: độ dài lệnh 12 bit - PIC1 6xxxx: độ dài lệnh 14 bit - PIC1 8xxxx: độ dài lệnh 16 bit C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM) F: PIC có bộ nhớ flash LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ Bên cạnh đó một số vi điệu khiển có kí hiệu xxFxxx... cho những ứng dụng lớn do tính phù hợp của nó, vì vậy trong các ứng dụng thực tế hay sử dụng ngôn ngữ C Ngoài ra còn một số ngôn ngữ khác được phát triển cho 8051 như Pascal, Basic, Forth 1.1.5.2 Vi điều khiển AVR Là dòng vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất có nhiều loại AVR như: - 32-bit AVR UC3 - 8/16-bit AVR XMEGA - 8-bit mega AVR - 8-bit tiny AVR Vi điều khiển Atmega 16: Là vi điều khiển 8 bit... ngắn hơn, đơn giản hơn để đáp ứng yêu cầu mã hóa lệnh bằng một số lượng bit nhất định Vi điều khiển được tổ chức theo kiến trúc Havard còn được gọi là vi điều khiển RISC (Reduced Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh rút gọn Vi điều khiển được thiết kế theo kiến trúc Von-Neuman còn được gọi là vi điều khiển CISC (Complex Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh phức tạp... điều khiển 28, 40, 44, … chân - Cần chọn vi điều khiển PIC có bộ nhớ flash để có thể nạp xóa chương trình được nhiều lần hơn Tiếp theo cần chú ý đến các khối chức năng được tích hợp sẵn trong vi điều khiển, các chuẩn giao tiếp bên trong - Sau cùng cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép - Ngoài ra, cách lựa chọn vi điều khiển PIC có thể được tìm thấy trong cuốn 24 sách “Select PIC . điều khiển : giới thiệu một số họ vi điều khiển thông dụng và ứng dụng của các họ vi điều khiển - Giới thiệu về vi điều khiển Pic1 6F877A - Ứng dụng vi điều khiển Pic : cụ thể là ứng dụng điều. vi điều khiển MCS-51: 8031, 8032, 8051, 8052, - vi điều khiển ATMEL: 89Cxx, AT89Cxx51 - vi điều khiển AVR AT90Sxxxx - vi điều khiển PIC 16C5x, 17C43 Ứng dụng của một số vi điều khiển: - Vi điều. 512 word đến 32 Kword. Các họ vi điều khiển PIC: - Họ 8 bit: PIC 10/ PIC 12/ PIC 16/ PIC 18 - Họ 16 bit: PIC 24F/ PIC 24H/ dsPIC 30/ dsPIC 33 - Họ 32 bit: PIC 32. Một vài đặc tính: - Chân vào/ra