Thiết kế robot định hướng trong chuyển động máy bay, tàu thủy

Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp hay robot công nghiệp cho những loại thiết bị có dáng dấp và với một chức năng nhanh tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

NGÔ THỊ LOAN

THIẾT KẾ ROBOT ĐỊNH HƯỚNG TRONG CHUYỂN

ĐỘNG MÁY BAY, TÀU THỦY

Chuyên ngành: Sư phạm Kĩ thuật

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học: T.S Nguyễn Thế Lâm

HÀ NỘI, 2013

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn “Thiết kế robot định hướng trong chuyển động máy bay, tàu thủy” một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự cố gắng

nỗ lực của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý thầy cô, cũng như

sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý nói riêng và các thầy cô giáo trong trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 nói chung, đã đào tạo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

và hoàn thành khóa luận này

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Thế Lâm_người đã tận tình định hướng hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình , bạn bè đã không ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh

Hà Nội, tháng 05 năm 2013

Ngô Thị Loan

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi: Hội đồng bảo vệ khóa luận tốt nghiệp Đại học Khoa Vật lý

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Tên tôi là: Ngô Thị Loan

Sinh viên lớp: K35C_Sư phạm Kĩ thuật

Khoa: Vật lý

Trường: Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Tôi xin cam đoan đề tài “Thiết kế robot định hướng trong chuyển động máy bay, tàu thủy” là kết quả của sự nghiên cứu tìm tòi, tra cứu tài liệu và nhất là có sự định hướng của TS Nguyễn Thế Lâm Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Đề tài không sao chép từ bất cứ một tài liệu nào sẵn

có và kết quả nghiên cứu không trùng lặp với các tác giả khác

Hà Nội, tháng 05 năm 2013

Ngô Thị Loan

BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CPU Center Processing Unit Bộ vi xử lý trung tâm

DPTR Data Point Registor Thanh ghi con trỏ dữ liệu

EPROM Earsirer program mable Bộ nhớ có thể lập trình xoá được

IC Intergrated circuit Vi mạch tổ hợp

MOS Metal Oxide Semiconductor Bán dẫn oxit kim loại

PSW Program Status Word Thanh ghi từ trạng thái

RAM Random Acess Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ để đọc

SCON Serial Control Điều khiển nối tiếp

TTL Transistor-transistor Logic Mạch logic dùng hai transistor

1

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Ngày nay, khoa học kĩ thuật ngày càng phát triển như vũ bão Nhiều họ

vi điều khiển ra đời với khả năng lập trình cao đã mang lại nhiều ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống Nó có chức năng điều khiển trong các phương tiện hiện đại hay trong quá trình sản xuất Để giúp con người trong những công việc khó khăn, nguy hiểm và đòi hỏi độ chính xác cao, những con robot đang dần được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ hiện đại

Các phương tiện hiện đại như máy bay, tàu thủy hay những dây chuyền

tự động hóa trong sản xuất ngày càng đòi hỏi độ chính xác cao Vì vậy, những con robot cũng được ra đời với nhiều tính năng ưu việt hơn

Hầu hết các ngành nghề đều theo xu hướng hiện đại hóa, khoa học công nghệ là then chốt

Vì những lí do trên mà tôi đã quyết định chọn đề tài: Thiết kế robot định hướng trong chuyển động cho máy bay, tàu thủy

2

Kết cấu cơ khí tốt, bền, chắc đáp ứng cho robot hoạt động tốt

Thiết kế cơ khí thường dung phần mềm Solid Work, Autocad

Nghiên cứu về sản phẩm: robot điều khiển tự động

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mô hình Robot định hướng trên mặt đất và những vấn đề liên quan

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu những cơ sở lý thuyết và thực nghiệm trong thiết kế robot định hướng trong chuyển động máy bay,tàu thủy

Mô phỏng và thiết kế phần cơ khí của robot

Nghiên cứu chế tạo mạch điện cho robot

Viết chương trình cho robot

5 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết

Thực nghiệm

3

NỘI DUNG Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ ROBOT VÀ CÁC MODUL CỦA ROBOT

1.1 Sự hình thành và phát triển của ngành khoa học chế tạo robot

1.1.1 Sự hình thành và phát triển của ngành khoa học chế tạo robot trên thế giới

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người

Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và với một chức năng nhanh tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển

từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool) Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng

xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên

4

ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điềukhiển số

Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ở Ý - 1973 Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình

“mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool : Công cụ của tương lai) Robot này có thể năng được vật có khối lượng đến 40 KG

1.1.2 Sự hình thành và phát triển của ngành khoa học chế tạo robot ở Việt Nam

Các nghiên cứu về robot ở nước ta liên quan nhiều đến vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh Đặc biệt, trong lĩnh vực điều khiển robot, ngoài các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt thì các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ,

5

thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi cũng đã được đề cập nghiên cứu và áp dụng tại các tổ chức Khoa học và Công nghệ Cùng với các kết quả về thực nghiệm, nhiều công trình nghiên cứu khoa học về robot đã được công bố trên các tạp chí khoa học kỹ thuật trong và ngoài nước hoặc báo cáo tại các Hội nghị khoa học quốc tế về robot

Tuy nhiên, có thể nói, cho đến nay ở Việt Nam ngành công nghiệp robot vẫn chưa hình thành một cách rõ nét Các doanh nghiệp sản xuất kinh doanh robot Việt Nam vẫn phát triển mang tính tự phát Thậm chí, kể cả các chính sách của nhà nước cũng chưa đề cập đến việc phát triển ngành công nghiệp robot hiện tại và tương lai

Quá trình phát triển công nghệ robot đi từ những thế hệ đơn giản đến những thế hệ cao cấp hơn Ở thập kỷ những năm 60 - 70, thế giới tập trung sản xuất các loại robot công nghiệp, làm những công việc cố định trong các nhà máy xí nghiệp Đến thập kỷ những năm 80 - 90, các nước đã bắt đầu phát triển các loại robot dịch vụ bao gồm robot dịch vụ chuyên dùng phục vụ quốc phòng, an ninh, hay robot chăm sóc sức khỏe; robot dịch vụ gia đình,…Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đang nghiên cứu ra các loại robot dạng người, tức là robot có thể cảm nhận, suy nghĩ, có thể nói, hành động giống con người Nhật Bản, Mỹ, Hàn Quốc có thể được xem là các nước đi đầu trong phát triển robot

Ở Việt Nam, về mặt lý thuyết, chúng ta cũng hoàn toàn có thể phát triển được các loại robot thông minh, nhưng do cơ sở hạ tầng kỹ thuật còn hạn chế, ngành công nghiệp hỗ trợ cho công nghiệp robot chưa phát triển, các thiết bị kiểm tra, kiểm định chất lượng robot chưa có hoặc có chưa đầy đủ và quy mô thị trường còn hạn hẹp, nên không đủ điều điện để phát triển các loại robot dạng này Vì vậy, xu hướng hiện nay vẫn dừng lại ở việc phát triển các loại robot công nghiệp Chúng ta có thể làm được những loại robot thông minh Việt Nam có thuận lợi đầu tiên đó là trí tuệ, người Việt Nam thông

6

minh không thua kém so với các nước trong khu vực và trên thế giới Một ví

dụ rất điển hình đó là, tại các cuộc thi robocon Châu Á, đội tuyển Việt Nam luôn giành được các giải thưởng cao, thậm chí còn hơn cả Nhật Bản, Hàn Quốc, Thái Lan, Singapore… Các cuộc thi robot thu hút rất đông học sinh, sinh viên tham gia điều đó có nghĩa là đội ngũ những người đam mê, yêu thích ngành công nghệ này là rất lớn Từ chỗ chỉ có một vài đội tham gia năm

2002, đến nay đã có hàng trăm đội của hàng trăm trường đại học, cao đẳng của cả nước tham gia với niềm đam mê và quyết tâm cao

Người Việt Nam có thể thiết kế phần mềm điều khiển robot, chế tạo các bo mạch điện tử… nghĩa là phần “hồn” cho các robot, nhưng phần “xác” cho robot thì gặp quá nhiều khó khăn mà nguyên nhân chính, đó là do ngành công nghiệp hỗ trợ ở Việt Nam chưa phát triển, chưa đáp ứng nhu cầu

Để phát triển một ngành công nghiệp trước hết phải có thị trường, có sự đầu tư của Nhà nước về cơ sở hạ tầng kỹ thuật, về chính sách cũng như khung pháp lý và ít nhiều phải hình thành được một vài doanh nghiệp sản xuất kinh doanh robot chủ lực có quy mô sản xuất lớn Tất cả những yếu tố đó đến nay

ở Việt Nam còn rất mờ nhạt Vấn đề phát triển công nghiệp robot ở Việt Nam chưa được quan tâm đúng mức và sự chuyển biến nhận thức chưa được rõ nét Nhiều kiến nghị của các hội thảo quốc gia về lĩnh vực này, đều không được hồi âm cần thiết, trong đó, có những đề xuất cụ thể về các nội dung triển khai

“chiến lược phát triển robot” ở Việt Nam Giới khoa học vẫn thiếu sự liên kết, mạnh ai nấy làm, dẫn tới trùng lặp và trong thực tế tư duy của giới khoa học

và của giới doanh nghiệp chưa gặp nhau, giới khoa học chưa tạo được lòng tin đối với doanh nghiệp Việt Nam chưa có nhà máy với đầy đủ trang thiết bị sản xuất, kiểm định chất lượng sản phẩm robot công nghiệp Để sản xuất một robot công nghiệp cần thiết phải có nhóm trang thiết bị điện, điện tử và cơ khí phục vụ cho các hoạt động nghiên cứu, thí nghiệm và sửa chữa; nhóm trang thiết bị phục vụ hoạt động kiểm định; nhóm trang thiết bị phục vụ lắp ráp và

7

điều chỉnh Đó là chưa kể, robot công nghiệp sau khi sản xuất xong phải trải qua quy trình kiểm định về độ chính xác vị trí, độ chính xác lặp lại theo một phương duy nhất, độ chính xác thực hiện dịch chuyển và lặp lại dịch chuyển,

độ sai lệch góc, thời gian ổn định đến vị trí định vị… Nhưng những yếu tố cần thiết để kiểm định các thông số này đối với các robot được chế tạo tại Việt Nam đều chưa có

Thị trường cho các sản phẩm robot được chế tạo trong nước chưa được tạo lập và các biện pháp kỹ thuật kiểm soát, ngăn ngừa nhập khẩu những sản phẩm robot mà trong nước sản xuất được cũng chưa được ban hành Công tác đào tạo phát triển nguồn nhân lực đã được quan tâm chú ý, nhưng vì thiếu vắng môi trường hoạt động nên đội ngũ chuyên gia đầu ngành, tổng công trình sư và kỹ sư nghiên cứu thiết kế là nhân tố cơ bản để thực hiện thành công nhiệm vụ R&D cũng như chiến lược sản xuất kinh doanh của mọi doanh nghiệp bị mai một về kiến thức, ý tưởng sáng tạo Để phát triển ngành công nghiệp robot ở Việt Nam, quan trọng hơn cả vẫn là thị trường Phải có thị trường thì mới có thể thương mại hóa sản phẩm nghiên cứu Cho đến nay, các đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ về robot sau khi nghiệm thu hầu như không thể tiếp tục triển khai được thành các dự án sản xuất thử nghiệm bởi không có thị trường, không có người mua Mà đã không

có đơn đặt hàng thì không ai có thể “dũng cảm” đặt vấn đề sản xuất thử nghiệm cả, vì vốn cho các dự án sản xuất thử nghiệm đều là vốn vay phải nộp thu hồi Các đơn vị trong nước có đủ khả năng để sản xuất các loại robot công nghiệp phục vụ cho nhu cầu trong nước với giá thành rẻ hơn rất nhiều và chức năng tương đương so với các sản phẩm robot nhập của nước ngoài, nhưng các chủ đầu tư lại ngại tiếp nhận các sản phẩm robot Việt Nam bởi thực tế các doanh nghiệp thường nhập đồng bộ các dây chuyền trong đó đã bao gồm cả các robot Các dây chuyền sản xuất công nghiệp ở Việt Nam có mức độ tự động hóa chưa cao, nên việc đầu tư robot của các chủ doanh nghiệp sản xuất

8

công nghiệp chưa mặn mà đầu tư robot và do đó quy mô thị trường robot ở Việt Nam chưa lớn, nên các doanh nghiệp sản xuất kinh doanh robot Việt Nam chỉ có thể có một số hợp đồng sản xuất robot đơn lẻ cho các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp, chủ yếu là các robot phục vụ cho các công đoạn riêng lẻ như công đoạn hàn, sơn hay trong môi trường độc hại Muốn thúc đẩy ngành công nghiệp robot phát triển, trước tiên cần có sự vào cuộc của nhà nước, cụ thể là ban hành các chính sách vĩ mô như chính sách để hấp dẫn các nhà đầu tư trong và ngoài nước đầu tư vào lĩnh vực sản xuất robot; chính sách đầu tư cho nghiên cứu phát triển, chính sách đào tạo và sử dụng hợp lý nguồn nhân lực trong lĩnh vực robot, chính sách phát triển thị trường, v.v… Hình thành những ngành học, ngành đào tạo và nghiên cứu chuyên về robot và đặc biệt là phải hình thành nên một số doanh nghiệp sản xuất kinh doanh robot đầu đàn, tạo nền tảng để phát triển ngành công nghiệp robot

Robot đã được khẳng định về khả năng đem lại rất nhiều lợi ích trong phạm vi rộng các ứng dụng khác nhau Các chuyên gia của Hiệp hội robot quốc tế đã đưa ra 10 lợi ích phổ biến nhất theo ý kiến từ những người đã sử dụng robot trong các lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới, đó là Giảm chi phí vận hành; Nâng cao chất lượng và tính ổn định của sản phẩm; Nâng cao hiệu quả làm việc của công nhân; Nâng cao sản lượng đầu ra; Nâng cao tính linh hoạt trong quá trình sản xuất sản phẩm; Giảm lãng phí nguyên liệu và tăng lợi nhuận; Tuân thủ các quy định về an toàn và nâng cao sức khỏe và an toàn nơi làm việc; Giảm chi phí thay đổi lao động và khó khăn trong tuyển dụng; Giảm các chi phí đầu tư cơ bản; Tiết kiệm không gian cho những khu vực sản xuất đắt đỏ

Có thể nêu một ví dụ đơn giản: Ở một công đoạn sản xuất nhất định nào đó, do yếu tố tâm lý, sức khỏe, người công nhân có thể lơ đãng trong một vài thao tác khiến cả một lô sản phẩm hỏng hoặc bị kém chất lượng Nhưng nếu thay người công nhân đó bằng một chú robot, do có thể làm liên tục, đều

9

đặn, không bị mệt mỏi, nên robot hoàn toàn có thể thực hiện một cách chính xác, vừa đảm bảo chất lượng của lô hàng, vừa tăng năng suất Robot là hình ảnh thu nhỏ của hệ thống các thiết bị hiện đại, công nghệ cao hiện nay, rất linh hoạt và thông minh Do đó, phát triển ngành công nghiệp robot sẽ kéo theo sự phát triển của một loạt các ngành công nghiệp công nghệ cao khác như công nghệ thông tin, công nghiệp điện tử, tự động hóa…

1.2.2 Phần mạch điện

Mạch điện tử trong robot đóng vai trò như những mạch máu của cơ thể người Nó đóng vai trò kết nối toàn bộ các bộ phận khác trong robot thành một thể thống nhất Trong robot này, phần chính của mạch điện tử là mạch vi điều khiển 8051 đóng vai trò như bộ não điều khiển toàn hoạt động của robot theo một chương trình lập sẵn

1.2.3 Phần chương trình điều khiển

Chương trình trong robot giống như bộ não của cơ thể nguời Robot chỉ hoạt động được khi có chương trình cài đặt sẵn cho nó Các hoạt động của robot do người lập trình quyết định Hai ngôn ngữ được sử dụng nhiều đó là C

và ASM Tuy nhiên ngôn ngữ C được sử dụng nhiều nhất vì có cấu trúc dễ bắt lỗi và đặc biệt thuận tiện khi làm chương trình lớn vì các chương trình trong robot rất phức tạp

10

Để robot có thể hoạt động được tốt thì cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các phần cơ khí, phần mạch điện và phần lập trình Nếu có một phần không tốt thì robot không thể hoạt động được

11

Chương 2

HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051

2.1 Sự ra đời của họ vi điều khiển 8051

Vào năm 1970 tập đoàn Intel đã giới thiệu 8080, bộ vi xử lý thành công đầu tiên Sau đó không lâu Motorola, RCA, kế đến là MOS Techology và Zilog đã giới thiệu các bộ vi xử lý tương tự: 6800, 1801, 6502 và Z80 Vào năm 1976 Intel giới thiệu bộ vi điều khiển 8748, một chip tương tự như bộ vi

xử lý và là chíp đầu tiên trong bộ vi điều khiển MCS-48 8748 là một vi mạch chứa trên 17000 transistor bao gồm một CPU, 1 K byte EPROM, 64 byte RAM, 27 chân xuất nhập và một bộ định thời 8-bit IC này và các IC tiếp theo của họ MCS-48 đã nhanh chóng trở thành chuẩn công nghiệp trong các ứng dụng hướng điều khiển

Độ phức tạp, kích thước và khả năng của các bộ vi điều khiển càng được tăng thêm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi Intel cho ra đời chip

8051, bộ vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS-51 So với 8048, chíp 8051 chứa trên 60000 transistor bao gồm 4 K byte ROM, 128 byte RAM,

32 đường xuất nhập, 1 port nối tiếp, 2 bộ định thời 16 bit – một số lượng mạch đáng chú ý trong một IC đơn Các thành viên mới được thêm vào cho

họ MCS-51 và các biến thể ngày nay gần như có gấp đôi các đặc trưng này Tập đoàn Siemens nguồn sản xuất thứ hai các bộ vi điều khiển thuộc họ MCS-51 cung cấp chíp SAB80515, một cải tiến của 8051 chứ trong một vỏ

68 chân, có 6 port xuất nhập 8-bit, 13 nguồn tạo ra ngắt và một bộ biến đổi A/D 8-bit với 8 kênh ngõ vào Họ 8051 là một trong những bộ vi điều khiển 8-bit mạnh và linh hoạt nhất, đã trở thành bộ vi điều khiển hàng đầu trong những năm gần đây

 Mạch giao tiếp nối tiếp

 Không gian nhớ chương trình ngoài 64K

 Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64K

 Bộ xử lý bit

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

 Nhân/chia trong 4µs

2.3 Sơ đồ và chức năng các chân của chip 8051:

Thuật ngữ “8051” được dùng để chỉ rộng rãi các chip của họ

MSC-51 Vi mạch tổng quát của họ MSC-51 là chip 8051, linh kiện đầu tiên của

họ này được hãng Intel đưa ra thị trường Hiện hay, nhiều nhà sản xuất IC

13

như Seimens, Advance Micro Devices (AMD), Fujitsu, Philips, Atmel … được cấp phép làm nhà cung cấp thứ hai cho các chip của họ MSC-51 Ở Việt Nam các chip và các biến thể họ MSC-51 của hãng Atmel và Philips được sử dụng rộng rãi như: 89C2051, AT89C51, AT8C52, AT8C55, AT89S52, AT89S8252, AT89S8253, P89C51RDxx, P89V51RDxx …

Hình 2.2 Sơ đồ chân 8051

Chip 8051 có 32 chân xuất/nhập, tuy nhiên có 24 chân đa mục đích trong tổng số 32 chân này Mỗi một chân này có thể hoạt động ở chế độ xuất/nhập, hoạt động điều khiển hoặc hoạt động như một đường địa chỉ/dữ liệu của bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp

2.3.1 PORT 0

Port 0 (các chân từ 32-39) được ký hiệu là P0.0-P0.7 có hai công dụng Trong các thiết kế có tối thiểu thành phần, Port 0 được sử dụng làm nhiệm vụ xuất nhập Tuy nhiên, khi dùng chức năng này thì Port 0 phải dùng thêm các điện trở kéo lên (pull-up), giá trị của điện trở phụ thuộc vào

14

thành phần kết nối với Port Khi dùng làm ngõ ra, Port 0 có thể kéo được 8 ngõ TTL Khi dùng làm ngõ vào, Port 0 phải được set mức logic 1 trước đó

Với các thiết kế lớn hơn có bộ nhớ ngoài, Port 0 trở thành bus địa chỉ

và bus dữ liệu đa hợp (byte địa chỉ thấp)

2.3.2 PORT 1

Port 1 (các chân từ 1-8) chỉ có công dụng là xuất/nhập được ký hiệu P1.0-P1.7 và dùng để giao tiếp với thiết bị bên ngoài Với chip 8052 ta có thể sử dụng P1.0 và P1.1 hoặc làm các đường xuất/nhập hoặc làm các ngõ vào cho mạch định thời thứ ba

Tại Port 1 đã có điện trở kéo lên nên không cần thêm điện trở ngoài Port 1 có khả năng kéo được 4 ngõ TTL Khi dùng làm ngõ vào, Port 1 phải được set mức logic 1 trước đó

Bảng 2.1 Chức năng các chân của Port 3 và Port 1

P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của port nối tiếp P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của port nối tiếp

15

ngoài

ngoài

2.3.5 /PSEN

Chân cho phép bộ nhớ chương trình /PSEN (Program store enable) là tín hiệu xuất trên chân 29 Đây là tín hiệu điều khiển cho phép ta truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài Chân này thường nối với chân cho phép xuất /OE (Output enable) của EPROM hoặc ROM để cho phép đọc các byte lệnh.Tín hiệu /PSEN ở mức logic 0 trong suốt thời gian tìm nạp lệnh Các mã nhị phân của chương trình hay Opcode được đọc từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR của 8051 để được giải mã Khi thực thi một chương trình chứa ở ROM nội, chân /PSEN được duy trì ở mức logic không tích cực (logic 1)

2.3.6 ALE

Ngõ xuất tín hiệu cho phép chốt địa chỉ ALE (address latch enable) dùng để giải đa hợp (demultiplexing) bus dữ liệu và bus địa chỉ Khi port 0 được sử dụng làm bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp, chân ALE xuất tín hiệu để chốt địa chỉ (byte thấp của địa chỉ 16 bit) vào một thanh ghi ngoài trong suốt ½ đầu của chu kỳ bộ nhớ (memory cycle) Sau khi điều này đã được thực hiện, các chân của port 0 sẽ xuất/nhập dữ liệu hợp hệ trong suốt ½ thứ hai của chu kỳ

bộ nhớ Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động bên trong

chip vi điều khiển

16

2.3.7 /EA

Ngõ vào /EA có thể được nối với 5V (logic 1) hoặc với GND (logic 0).Nếu chân này nối lên 5V chip 8051 thực thi chương trình trong ROM nội Nếu chân này được nối với GND (và chân /PSEN cũng ở logic 0) thì chương trình cần được thực thi chứa ở bộ nhớ ngoài

2.3.8 RESET (RST)

Ngõ vào RST là ngõ vào xóa chính (master reset) của 8051 dùng để thiết lập lại trạng thái ban đầu cho hệ thống hay gọi tắt là reset hệ thống Khi ngõ vào này được treo ở mức logic 1 tối thiểu 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong của 8051 được nạp lại các giá trị thích hợp cho việc khởi động lại

hệ thống

2.3.9 XTAL1, XTAL2

Mạch dao động trên chip được ghép nối với mạch thạch anh bên ngoài

ở hai chân XTAL1 và XTAL2, các tụ ổn định cũng đựoc yêu cầu kết nối, giá

tri tụ do nhà sản xuất quy định (30p-40p)

2.4 Tổ chức bộ nhớ:

Các chip vi điều được dùng làm thành phần trung tâm trong các thiết kế hướng điều khiển, trong đó bộ nhớ có dung lượng giới hạn, không có ổ đĩa và

hệ điều hành Chương trình điều khiển phải thường trú trong ROM nên 8051

có không gian bộ nhớ riêng cho chương trình và dữ liệu, cả hai bộ nhớ chương trình và dữ liệu đều đặt trong chip, tuy nhiên ta có thể mở rộng bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu bằng cách sử dụng các chip nhớ bên ngoài với dung lượng tối đa là 64K

Bộ nhớ nội trong chip bao gồm ROM và RAM RAM trên chip bao gồm vùng RAM đa chức năng (general purpose RAM: 30H-7FH), vùng RAM với từng bit được định địa chỉ (bit address locations) gọi tắt là vùng RAM định địa chỉ bit (20H-2FH ), các dãy thanh ghi (bank: 00H-1FH) và các thanh ghi chức năng đặc biệt SFR (special function register: 80H-FFH)