Tiếp giáp P - N và cấu tạo của điốt bán dẫn Khi có hai chất bán dẫn là P - N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P - N ta được một điốt, tiếp giáp P - N có đặc điểm tại bề mặt
Trang 1MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
Nhân loại đã trải qua nhiều cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật Cùng với sự tìm tòi sáng tạo giúp con người ngày có nhiều phát minh, sáng kiến tìm
ra những công cụ mới, con đường mới để chinh phục tự nhiên
Do vậy, trong những năm gần đây, công nghệ vi điện tử phát triển
mạnh mẽ Sự ra đời của các vi mạnh cỡ lớn, cực lớn với giá thành giảm nhanh, khả năng lập trình ngày càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong ngành kỹ thuật điện tử Nhờ ứng dụng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ làm cho nền công nghiệp thế giới đạt được những thành tựu to lớn Máy móc đã dần thay thế con người trong nhiều hoạt động lao
động sản xuất
Lập trình vi điều khiển là phần việc không thể thiếu khi chế tạo máy móc Khi chế tạo một cỗ máy tự động, phần cơ khí tạo nên hình dáng còn phần lập trình và mạch điện tử như một bộ não điều khiển những hoạt động
đó Về cơ bản vi điều khiển chứa các phần tử hạt nhân là bộ vi xử lý và các
bộ phụ trợ như bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ đếm/phát thời gian và các cổng vào ra số, tất cả được tích trên một chip đơn thể và đóng gói trong một vỏ hộp
Ngày nay khi nhu cầu về thông tin quảng cáo rất lớn, việc áp dụng các phương tiện kĩ thuật mới vào các lĩnh vực trên là rất cần thiết
Khi bạn đến các nơi công cộng, bạn dễ dàng bắt gặp những áp phích quảng cáo điện tử chạy theo các hướng khác nhau với nhiều hình ảnh và màu sắc rất ấn tượng
Từ yêu cầu của môn học và thực tiễn trên, nên tôi chọn đề tài:
“Thiết kế mạch quảng cáo dùng vi điều khiển 8051”
Trang 22 Mục đích nghiên cứu
Nắm được trình tự của một nghiên cứu khoa học
Nắm các kiến thức cơ sở thiết kế mạch quảng cáo
Tìm hiểu về một số linh kiện điện tử
Tìm hiểu về vi điều khiển 8051
Lắp ráp mạch quảng cáo
3 Đối tượng nghiên cứu
Mạch quảng cáo dùng vi điều khiển 8051
4 Phạm vi nghiên cứu
Thiết kế mạch quảng cáo dùng vi điều khiển 8051
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Mạch quảng cáo dùng vi điều khiển có khả năng ứng dụng thực tiễn rất lớn, bởi quảng cáo đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong kinh doanh và mọi lĩnh vực của cuộc sống Nói tóm lại, thời đại hiện nay khả năng ứng dụng của nó rất cao, quảng cáo bằng Led đã dần thay cho các tấm biển hiệu thông thường không có sức lôi cuốn
6 Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
7 Kết cấu nội dung của đề tài
Từ các yêu cầu trên, tôi cấu trúc khóa luận làm 3 chương
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
1.1 Một số linh kiện điện tử dùng trong mạch
1.2 Vi điều khiển 8051
Chương 2: Thiết kế mạch quảng cáo dùng vi điều khiển 8051
Chương 3: Thi công lắp ráp
Trang 3NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Một số linh kiện điện tử dùng trong mạch 1.1.1 Điốt Bán Dẫn
1.1.1.1 Tiếp giáp P - N và cấu tạo của điốt bán dẫn
Khi có hai chất bán dẫn là P - N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P - N ta được một điốt, tiếp giáp P - N có đặc điểm tại bề mặt tiếp xúc, điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các chỗ trống, tạo thành một lớp trung hòa về điện, lớp iôn này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn
Hình 1.1 Cấu tạo của Điốt
Hình 1.2 Kí hiệu và hình dáng của Điốt
1.1.1.2 Nguyên lý làm việc
Trang 4Phân cực thuận cho Điốt:
Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anốt (vùng bán dẫn P) và điện áp âm (−) vào Katốt (vùng bán dẫn N), khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp miền cách điện giảm bằng 0, điốt bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua điốt tăng nhanh nhưng chênh lệnh điện áp giữa hai cực của điốt không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6v)
Ur=0V R1
0.6V DC
Ud=0.6V D1
Phân cực ngược cho Điốt:
Khi phân ngược cho điốt tức là đưa cực (+) vào Katốt (bán dẫn N), cực (−) vào Anốt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách
Trang 5điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua khoảng 1000V thì điốt mới bị đánh thủng
1.1.1.3 Điốt phát quang (Led)
1.1.1.3.1 Công dụng
Led (Light Emitting Đioe) là điốt phát quang có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống như điốt, Led được cấu tạo từ khối bán dẫn loại P được ghép với bán dẫn loại N
Tương tự như bóng đèn tròn bình thường nhưng không có dây tóc ở giữa, đèn Led tạo ra nhiều ánh sáng hơn, toả nhiệt ít hơn so với các thiết bị chiếu sáng khác, nhỏ, gọn, bền, giá thành rẻ, màu sắc đa dạng là những ưu điểm của Led
Hiện nay có rất nhiều loại Led với đầy đủ các kích thước hình dạng và màu sắc khác nhau, rất thích hợp để trang trí Được chế tạo từ Polime, Led có
độ bền cao, dễ vận chuyển không lo bị vỡ, sáng hơn, tiết kiệm hơn, tuổi thọ cao hơn
1.1.1.3.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động
Hình 1.5 Cấu tạo và ký hiệu điốt phát quang
Nguyên lý hoạt động:
Hoạt động của Led giống với nhiều loại điốt bán dẫn Khối bán dẫn loại
P chứa nhiều lỗ trống do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn loại N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động
Trang 6khuếch tán sang khối N Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết quả khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và
dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư
thừa lỗ trống)
Ở hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết lại với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó)
Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (từ màu sắc của Led sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của Led) hoàn toàn phụ thuộc cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn
Tuỳ vào từng loại Led mà điện áp phân cực thuận khác nhau Đối với Led thường thì điện áp phân cực thuận khoảng 1.5 V đến 2.5V; còn đối với Led siêu sáng thì điện áp phân cực thuận có thể lên tới 5V
Khi Led hoạt động bình thường thì dòng từ 10 mA đến 20mA
Trang 7Led xanh sêu sáng = 3.5V đến 4V
R = Giá trị điện trở phải mắc
Ta có công thức tính cho cách mắc nối tiếp điện trở R
R = (U – UL.N) / I
Có nghĩa là giá trị R mắc nối tiếp sẽ bằng giá trị nguồn trừ đi tổng điện
áp trên Led tất cả chia cho dòng điện qua Led
1.1.2.2 Phân loại và cấu tạo
Điện trở có các loại cơ bản: điện trở không dây quấn và điện trở dây quấn, điện trở nhiệt
+ Điện trở không dây quấn có hai loại: Trị số cố định
Trị số biến đổi (chiết áp)
Trang 8Điện trở không dây quấn thường làm bằng hỗn hợp than hoặc kim loại trộn với chất kết dính rồi đem ép lại, vỏ được phủ lớp sơn than hay hỗn hợp kim loại trên một lõi sứ, hai đầu có dây ra
+ Điện trở dây quấn có hai loại: Trị số cố định
Chiết áp dây quấn
Điện trở dây quấn có lõi bằng sứ và dây quấn là loại hợp kim có điện trở lớn (nicron, mangnin …) hai đầu cũng có dây dẫn và bên ngoài thường được bọc bằng một lớp bảo vệ
+ Điện trở nhiệt có hai loại:
Hệ số nhiệt dương khi nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở tăng
Hệ số nhiệt âm khi nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở giảm
1.1.2.3 Các số liệu kĩ thuật của điện trở
+ Công suất định mức:
Công suất định mức là công suất tiêu hao trên điện trở mà nó có thể chịu đựng được trong một thời gian dài, không bị quá nóng hoặc bị chảy, đứt Đơn vị đo là oát (w)
+ Trị số của điện trở:
Cho biết mức độ cản trở dòng điện của điện trở Đơn vị đo là (Ω)
1.1.2.4 Cách đọc trị số điện trở
Qui ước giá trị các màu
Đen Nâu Đỏ Cam Vàng Xanh
lá
Xanh dương
Tím Xám Trắng
Trang 9Sai số
Đối với các điện trở có giá trị được định nghĩa theo vạch màu thì chúng
ta có 3 loại điện trở: điện trở 4 vạch màu, điện trở 5 vạch màu, điện trở 6 vạch màu
Cách đọc giá trị các điện trở này thông thường cũng được phân làm 2 cách đọc, tuỳ theo các ký hiệu có trên điện trở Dưới đây là cách đọc đối với điện trở 4 vạch màu và 5 vạch màu
Đối với điện trở 4 vạch màu:
− Vạch màu thứ nhất: chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở
− Vạch màu thứ hai: chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở
− Vạch màu thứ ba: chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở
− Vạch màu thứ 4: chỉ giá trị sai số của điện trở
Đối với điện trở 5 vạch màu:
− Vạch màu thứ nhất: chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở
− Vạch màu thứ hai: chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở
− Vạch màu thứ ba: chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở
− Vạch màu thứ 4: chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở
− Vạch màu thứ 5: chỉ giá trị sai số của điện trở
Trang 101.1.3.2 Cấu tạo và phân loại
Cấu tạo của tụ điện gồm 2 phiến dẫn điện có dây dẫn ra Ở giữa 2 phiến là chất cách điện (điên môi), toàn bộ đặt trong vỏ bảo vệ
Tụ điện có các loại khác nhau: tụ giấy, tụ mica, tụ gốm, tụ hoá…
Tụ hoá:
Hình 1.6 Cấu tạo và hình dạng tụ hóa
Tụ hoá là một loại tụ có phân cực Dùng trong các mạch điện tử như bộ lọc mạch nắn điện, nối tầng ở mạch tần số thấp
Trên tụ hoá người ta thường ghi kèm giá trị điện áp cực đại mà tụ có thể chịu được Nếu trường hợp điện áp lớn hơn so với giá trị điện áp trên tụ thì tụ sẽ bị phồng hoặc nổ tụ tuỳ thuộc vào giá trị điện áp cung cấp Thông thường, khi chọn các loại tụ hoá này người ta thường chọn các loại tụ có giá trị điện áp lớn hơn các giá trị điện áp đi qua tụ để đảm bảo tụ hoạt động tốt và đảm bảo tuổi thọ của tụ hoá
Trang 111.1.4.1 Cấu tạo của Transistor
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối
tiếp giáp P − N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược Về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai điốt đấu ngược chiều nhau
Hình 1.7 Cấu tạo Transistor
Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B (Bazơ), lớp bán dẫn ở miền Bazơ rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp
Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra cực phát (Emitter) viết tắt là E,
và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được
Trang 121.1.4.2 Nguyên tắc hoạt động của Transistor
Trong đó: IC là dòng chạy qua mối CE
IB là dòng chạy qua mối BE
β là hệ số khuyếch đại của Transistor
Trang 13Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P − N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N (cực E) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P(cực B) lớn hơn
số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor
1.1.4.2.2 Transistor PNP
Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ E sang B
1.1.4.3 Ký hiệu và hình dạng của Transistor
Transistor Nhật bản: thường ký hiệu là A…, B…, C…, D… Ví dụ
A564, B733, C828, D1555 trong đó các Transistor ký hiệu là A và B là
Transistor thuận PNP còn kí hiệu là C và D là Transistor ngược NPN
Trang 14Các Transistor A và C thường có công xuất nhỏ và tần số làm việc cao còn các Transistor B và D thường có công xuất lớn và tần số làm việc thấp hơn
Transistor do Mỹ sản xuất: thường ký hiệu là 2N… ví dụ 2N3055,
2N4073 vv…
Transistor do Trung quốc sản xuất: bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai
chữ cái Chữ cái thức nhất cho biết loại bóng : chữ A và B là bóng thuận , chữ
C và D là bóng ngược, chữ thứ hai cho biết đặc điểm: X và P là bóng âm tần,
A và G là bóng cao tần Các chữ số ở sau chỉ thứ tự sản phẩm Thí dụ: 3CP25, 3AP20 vv
1.1.4.4 Cách xác định các chân B, C, E của Transistor
Với các loại Transistor công xuất nhỏ, thì thứ tự chân C và B tuỳ theo
bóng của nước nào sản xuất, nhưng chân E luôn ở bên trái nếu ta để Transistor như hình dưới
Hình 1.11 Transistor công suất nhỏ
Nếu là Transistor do Nhật sản xuất: thí dụ Transistor C828, A564 thì chân C ở giữa, chân B ở bên phải
Nếu là Transistor Trung quốc sản xuất thì chân B ở giữa, chân C ở bên phải
Với loại Transistor công xuất lớn (như hình dưới ) thì hầu hết đều có
chung thứ tự chân là : bên trái là cực B, ở giữa là cực C và bên phải là cực E
Trang 15Hình 1.12 Transistor công xuất lớn thường có thứ tự chân như trên
Đo xác định chân B và C :
Với Transistor công xuất nhỏ thì thông thường chân E ở bên trái như vậy ta chỉ xác định chân B và suy ra chân C là chân còn lại
Để đồng hồ thang x1Ω, đặt cố định một que đo vào từng chân, que kia chuyển sang hai chân còn lại, nếu kim lên bằng nhau thì chân có que đặt cố định là chân B, nếu que đồng hồ cố định là que đen thì là Transistor ngược, là que đỏ thì là Transistor thuận
1.1.5 IC Ổn áp 7805
Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, nên IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản Các loại ổn áp được sử dụng là 78xx, với xx là điện áp Ví dụ 7805 ổ áp 5V,
7812 ổn áp 12V Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx là tương tự nhau, dưới đây
là minh họa cho IC ổn áp 7805 ta sử dụng trong mạch
Chân số 1 là chân IN Chân số 2 là chân GND Chân số 3 là chân OUT
Hình 1.13 Hình dạng IC ổn áp 7805
Trang 16Hình 1.14 Sơ đồ khối của ổn áp 7805
Ngõ OUT luôn ổ 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 Nếu nguồn điện có sự cố đột ngột: điện áp tăng 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
Trang 171.1.6.2 Sơ đồ bố trí chân của IC đệm 74HC245
Hình 1.16 Sơ đồ bố trí chân của IC đệm 74HC245
1.1.6.3 Bảng chức năng các chân của IC đệm 74HC245
Trang 18Ký hiêu Số chân Chức năng
vi sử lí đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các môđun vào/ra, các môđun biến đổi số sang tượng tự và tương tự sang số… Ở máy tính thì các môđun thường được xây dựng bởi các chip và mạch ngoài
Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng, nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây truyền tự động…
Hầu hết các vi điều khiển ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc Harvard, kiến trúc này định nghĩa bốn thành phần cần thiết của hệ thống nhúng, những thành phần này là lõi của CPU, bộ nhớ chương trình (thông thường là ROM (hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), một hoặc vài bộ định thời và các cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và các môi trường bên ngoài - tất cả các khối này được thiết kế trong một vi mạch tích hợp
Trang 19Vi điều khiển khác với các vi sử lí đa năng ở chỗ là nó có thể hoạt động chỉ với vi mạch hỗ trợ bên ngoài
Có các loại vi điều khiển: vi điều khiển 8051; vi điều khiển AVR; vi điều khiển MCUS của Philips
Nhưng ở đây ta nghiên cứu bộ vi điều khiển 8051(vào năm 1981 hãng Intel giới thiệu một bộ vi điều khiển được gọi là 8051) Bộ vi điều khiển này
có 128 byte RAM, 4K byte ROM trên chip, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng(đều rộng 8 bit) vào ra tất cả được đặt trên một chip Lúc ấy nó được coi là một “hệ thống trên chip” 8051 là bộ vi 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 dữ liệu 8 bit để xử lý 8051 có tất cả 4 cổng vào - ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên của họ
8051 Hãng Intel ký hiệu nó như là MCS51
Bảng trình bày các đặc tính của 8051
Đặc tính Số lượng
ROM trên chíp RAM
Bộ định thời Các chân vào – ra Cổng nối tiếp
Trang 201.2.2 Sơ đồ khối
Hình 1.17 Sơ đồ khối của chip 8051
Interrupt control: điều khiển
Other registers: các thanh ghi khác
128 byte RAM: RAM 128 byte
Time 2, 1, 0: bộ định thời 2, 1, 0
CPU: đơn vị điều khiển trung tâm
Ossilator: mạch dao động
Bus control: điều khiển bus
I/O port: các port xuất/nhập
Serial port: port nối tiếp
Address/data: địa chỉ/dữ liệu
Trang 211.2.3 Mô tả chân của 8051
1.2.3.1 Sơ đồ chân của 8051
Hình 1.18 Sơ đồ bố trí chân của 8051
Hình 1.18 Sơ đồ bố trí chân của 8051, ta thấy rằng trong 40 chân thì có
32 chân dùng cho các cổng P0, P1, P2 và P3với mỗi cổng có 8 chân, các chân còn lại được dành cho nguồn VCC, đất GND, các chân dao động XTAL1và
XTAL2 tái hợp RST cho phép chốt địa chỉ ALE truy cập được chỉ ngoài EA
cho phép cất chương trình PSEN Trong 8 chân này thì 6 chân VCC, GND, XTAL1, XTAL2 và EA được các họ 8031 và 8051 sử dụng Hay nói cách khác là chúng phải được nối để hệ thống làm việc mà không biết bộ vi điều khiển thuộc họ 8051 hay 8031 Còn 2 chân khác là RSEN và ALE được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống dựa trên 8031