Mô hình thiết kế đồng hồ thời gian thực

Ngày nay, các hệ thống nhúng trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÔN HỌC HỆ THỐNG NHÚNG Nhóm sinh viên : Trần Quang Hợp Nguyễn Viết Hiền Nguyễn Văn Hồng Lớp : K43ĐĐK Giáo viên hướng dẫn : Ths.Nguyễn Văn Huy Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – 2011 Nhận xét của giáo hướng dẫn ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011 Giáo Viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nhận xét của giáo viên chấm ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011 Giáo Viên chấm (Ký ghi rõ họ tên) Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 2 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC .3 LỜI NÓI ĐẦU 5 CHƯƠNG 1 . PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 6 1.1.Khảo sát và phân tích bài toán 6 1.1.1.Cách hiển thị thời gian .6 1.1.2.Mục đích 7 1.1.3.Các công nghệ chip ứng dụng trong thiết kế thời gian thực có mặt trên thị trường .8 1.2. Lựa chọn giải pháp .9 1.2.1.Giải pháp công nghệ 9 1.2.2 .Giải pháp thiết kế .9 1.2.3.Các yêu cầu 9 1.2.4.Giới hạn cho hệ thống .9 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG .10 2.1. Sơ đồ tổng quát 10 2.2. Sơ đồ Call graph 11 2.3. Sơ đồ đặc tả 11 2.4. Sơ đồ thuật toán .12 2.5.Các module trong hệ thống .14 2.5.1.Khối nguồn 14 2.5.2.Khối điều khiển trung tâm .14 2.5.3.Khối tạo thời gian thực 15 2.5.4.Khối hiển thị 16 2.5.5.Khối giao tiếp phím bấm .16 2.6.Lựa chọn linh kiện .16 2.6.1.Vi điều khiển AT89C51 .16 2.6.2.IC thời gian thực DS1307 .23 2.6.3. LCD 16x2 .31 2.6.4.IC ổn áp 7805 .34 2.6.5. Tụ điện .35 Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 3 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp 2.6.6.Điện trở .35 2.6.7.Nút bấm button .36 2.6.8.Biến trở 36 2.6.9.Thạch anh 36 2.6.10.Pin CMOS 3V 37 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG 38 3.1.Thiết kế phần cứng 38 3.2.Thiết kế phần mềm .40 3.3.Kết quả mô phỏng .50 3.4.Mạch thi công thực tế 50 KẾT LUẬN 51 Danh mục tài liệu tham khảo .51 Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 4 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Lời nói đầu Ngày nay, các hệ thống nhúng trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người. Ví dụ quanh ta có rất nhiều sản phẩm nhúng như lò vi sóng, nồi cơm điện, điều hòa, điện thoại di động, ô tô, máy bay, tàu thủy, các đầu đo, cơ cấu chấp hành thông minh, robot v.v . ta có thể thấy hiện nay hệ thống nhúng có mặt ở mọi lúc mọi nơi trong cuộc sống của chúng ta. Qua môn học hệ thống nhúng, chúng em đã hiểu thêm về các hệ thống nhúng trong thực tế, về đặc điểm, tính ưu việt cũng như tính ứng dụng của chúng đối với con người. Với mong muốn làm rõ các kiến thức đã học và giới thiệu các ứng dụng cơ bản của hệ thống nhúng, nhóm chúng em đưa ra mô hình thiết kế đồng hồ thời gian thực – một sản phẩm rất quen thuộc và cần thiết trong đời sống. Do thời gian thực hiện và kiến thức còn hạn chế nên còn nhiều sai sót trong quá trình thực hiện đề tài, rất mong được sự bổ sung đóng góp của các thầy cô và các bạn. Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện tử - bộ môn kỹ thuật máy tính, cảm ơn thầy Ths. Nguyễn Văn Huy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em thực hoàn thành đề tài này. Trân trọng và chân thành cám ơn! Nhóm thực hiện đề tài: Trần Quang Hợp Nguyễn Viết Hiền Nguyễn Văn Hồng Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 5 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp CHƯƠNG 1 . PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 1.1.Khảo sát và phân tích bài toán Đồng hồ là một công cụ để đo đạc những mốc thời gian nhỏ hơn một ngày; đối lập với lịch, là một công cụ để đo thời gian dài hơn một ngày. Những loại đồng hồ dùng trong kĩ thuật thường có độ chính xác rất cao và cấu tạo rất phức tạp. Trong khi đó, người ta có thể tạo ra những loại đồng hồ nhỏ để dễ dàng mang theo bên mình (gọi là đồng hồ đeo tay). Những loại đồng hồ hiện đại (từ thế kỉ 14 trở đi) thường thể hiện ba thông tin: giờ, phút, giây. 1.1.1.Cách hiển thị thời gian • Đồng hồ cơ:  Đồng hồ cơ thể hiện thời gian sử dụng các góc. Mặt đồng hồ có những con số từ 1 đến 12 và sử dụng kim để chỉ giờ và cả phút. Từ một số đến một con số kế cận là 5 phút (đối với kim phút), 1 giờ (đối với kim giờ) hay 5 giây (đối với kim giây).  Một loại đồng hồ cơ khác được sử dụng là đồng hồ mặt trời. Nó hoạt động nhờ theo dọi thường xuyên ánh sáng Mặt Trời, và người ta theo dõi bằng cách nhìn bóng của chúng. • Đồng hồ điện tử:  Đồng hồ điện tử sử dụng hệ thống số để thể hiện thời gian. Thông thường có 2 cách thể hiện: • 24 giờ để đếm giờ từ 00-23 • 12 giờ với kí hiệu AM / PM (chủ yếu ở Mĩ)  Những đồng hồ điện tử sử dụng màn hình LCD hay LED, ống catode để thể hiện hình ảnh những con số. Khi những đồng hồ điện tử thay pin, chúng thường "quên" dữ liệu về thời gian trước đó. • Đồng hồ âm thanh:  Để tiện lợi hơn, có một số đồng hồ sử dụng âm thanh để bào hiệu giờ. Âm thanh có thể được sử dụng như ngôn ngữ tự nhiên ("Bây giờ là mười sáu giờ ba mươi phút) hay một mã (số tiếng chuông báo hiệu số giờ). • Đồng hồ chữ:  Loại đồng hồ này hiện thời gian ở dạng chữ. Nếu như ở đồng hồ điện tử chúng ta đọc được những con số 12:35 thì ở đồng hồ chữ, chúng ta có thể đọc được "Mười hai giờ ba mươi lăm phút". Một số loại đồng hồ khác sử dụng cơ chế gần đúng khiến người sử dụng cảm thấy dễ chịu hơn khi sử dụng đồng hồ (ví dụ "Khoảng mười hai giờ rưỡi"). Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 6 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp 1.1.2.Mục đích  Đồng hồ treo tường được dùng trong nhà và văn phòng, đồng hồ đeo tay được mang trên tay, và những loại đồng hồ lớn được đặt ở những nơi công cộng (nhà thờ hay bến xe). Hầu hết những máy tính và điện thoại di động đều có góc dưới màn hình hiển thị giờ.  Tuy nhiên, đồng hồ không phải lúc nào cũng được sử dụng để hiển thị thời gian. Nó còn có thể sử dụng để điều khiển một vật theo thời gian. Ví dụ như đồng hồ chuông có thể được dùng làm chuông báo tiết học. Nó có thể được gọi chính xác hơn là một hệ thống đếm giờ.  Máy tính sử dụng những tín hiệu đồng hồ để đồng bộ quá trình xử lý (mặc dầu có một số nghiên cứu về bộ xử lí không đồng bộ). Máy tính lưu trữ thời gian để báo hiệu hay chỉ là để hiển thị thời gian. Bên trong máy tính có một đồng hồ được nuôi bằng pin. Máy tính vẫn có thể hoạt động ngay cả khi đồng hồ trong máy bị chết nhưng khi khởi động máy lại, đồng hồ của máy tính sẽ được khởi động lại.  Thời gian là một khái niệm cơ bản trong môn vật lý. Do đó, chế tạo dụng cụ đo thời gian chính xác có ý nghĩa quan trọng trong các thí nghiệm. Đồng hồ điện tử Đồng hồ điện tử trên một lò vi sóng Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 7 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp 1.1.3.Các công nghệ chip ứng dụng trong thiết kế thời gian thực có mặt trên thị trường Do yêu cầu về thời gian thực nên chúng ta sẽ không xét tới các mạch điện thiết kế đồng hồ sử dụng các mạch điện tương tự và các IC số thông thường, chúng ta sẽ xét tới việc sử dụng IC thời gian thực, vi điều khiển, cách thức hiển thị thời gian thực. • IC thời gian thực:  Hiện nay trên thị trường có 2 loại IC thời gian thực phồ biến là DS1307 và DS12887.  Các IC này đều có chức năng chạy thời gian thực và lưu giờ khi mất điện, với DS1307 cần có thêm nguồn nuôi là một pin cmos 3V, với DS12887 có sẵn pin tích hợp ở bên trong.  Thực hiện giao tiếp với vi điều khiển để hiện thị thời gian và cài đặt giờ…  Trên cơ sở đó thì chúng ta có thể sử dụng cả 2 loại IC này, nhưng với nhóm em thì việc lựa chọn sẽ là DS1307 vì nó cũng thực hiện được yêu cầu mà giá thành thì rẻ hơn. • Vi điều khiển:  Có rất nhiều loại vi điều khiển khác nhau có thể sử dụng trong mạch đồng hồ này như vi điều khiển pic, avr, 8051…  Các loại vi điều khiển pic hay avr có nhiều ưu điểm hơn so với 8051 như hỗ trợ kết nối ngoại vi tốt hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn, lập trình đơn giản hơn. Nhưng giá thành thì lại cao hơn nhiều so với 8051 mà trong mạch này chúng em sử dụng AT89C51. Việc sử dụng quá tốn kém cho 1 mạch là không cần thiết trong khi đó một chip cũng có thể làm được điều này mà giá thành rẻ hơn thì đó là lựa chọn tối ưu hơn. • Hiển thị: Chúng ta có 2 cách hiển thị đó là : sử dụng led 7 thanh và sử dụng lcd.  Led 7 thanh : • Ưu điểm: hiển thị rõ ràng và thu hút được sự chú ý vì có thể nhìn ở xa. • Nhược điểm: mạch điện phức tạp cần thêm các IC chốt.  LCD 16x2: • Ưu điểm: hiển thị dễ dàng, có thể linh động hơn trong việc hiển thị thời gian,kết nối đơn giản mạch điện không phức tạp… • Nhược điểm: không thu hút được sự chú ý bằng led 7 thanh,giá thành cao…  Xét trên điều kiện để làm mạch này thì số led 7 thanh tương đối nhiều và cần thêm các IC chốt do đó về giá cả thì sẽ tương đương với một LCD 16x2. Thêm nữa khi sử dụng LCD chúng ta sẽ không phải mắc Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 8 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp phức tạp. Với đồng hồ để sử dụng cho cá nhân này thì chúng ta có thể cần dùng LCD là đủ. 1.2. Lựa chọn giải pháp 1.2.1.Giải pháp công nghệ Qua phân tích ở trên, nhóm chúng em đưa ra giải pháp xây dựng đồng hồ dựa trên IC thời gian thực. Đọc giờ từ IC thời gian thực, hiển thị thời gian liên tục và có thể cài đặt được giờ, lưu giờ khi mất điện và sai lệch thời gian là ít nhất (theo quảng cáo của nhà sản xuất : với một pin lithium 48mAh hoặc lớn hơn sẽ lưu giờ cho DS1307 khoảng hơn 10 năm khi không có nguồn điện cung cấp cho mạch ở điều kiện +25°C ). 1.2.2 .Giải pháp thiết kế Việc lựa chọn giải pháp thường được xem xét trên nhiều phương diện nhưng quan trọng là giải pháp có khả thi không? Có phù hợp với với thực tế và thỏa mãn yêu cầu về kinh tế? Đồng hồ thời gian thực với bộ não điều khiển là AT89C51 và các linh kiện khác: LCD hiển thị, IC ổn áp7805, IC thời gian thực DS1307. • AT89C51 có các ưu điểm: tính năng và tốc độ đáp ứng được yêu cầu kĩ thuật trong ứng dụng không đòi hỏi cao;giá thành thấp hơn họ vi điều khiển khác; có hỗ trợ lập trình điều khiển bằng cả hợp ngữ và C . • IC DS1307 là IC chuyên dụng, cho khả năng chính xác về thời gian. • LCD hiển thị một cách rõ ràng, linh động. • IC ổn áp 7805 được sử dụng rộng rãi trong các bộ nguồn. Vì vậy giải pháp thiết kế đồng hồ thời gian thực dùng các linh kiện trên có nhiều ưu thế hơn so với những giải pháp khác. Đồng thời đảm bảo được yêu cầu về kinh tế. Trong thực tế hiện nay lịch vạn niên là một sản phẩm tương tự đồng hồ thời gian thực và rất gần gũi với mọi người. 1.2.3.Các yêu cầu Với sản phẩm đồng hồ thời gian thực đòi hỏi các yêu cầu: • Hiển thị đúng thời gian:ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây. • Điều chỉnh và thay đổi được thời gian. • Đảm bảo đúng về thời gian sau khi mất điện. • Khả năng thực thi:Thời gian đáp ứng, độ chính xác… • Đảm bảo về kích thước và trọng lượng cho phép. • Độ an toàn, khả năng chống lại sự phá hoại hay xâm nhập… 1.2.4.Giới hạn cho hệ thống • Sử dụng nguồn điện 5V. • Làm việc liên tục. Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 9 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp • Kích thước phù hợp với người sử dụng. • Hệ thống nhỏ gọn. • Hệ thống lưu được thời gian khi mất nguồn cấp (có nguồn dự trữ). • Nguồn nuôi (pin CMOS) cho IC thời gian thực đảm bảo. • Làm việc trong điều kiện môi trường bình thường. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1. Sơ đồ tổng quát • Khối Nguồn: cung cấp nguồn cho hệ thống. • Khối Thời gian thực: lưu trữ thời gian thực, thời gian cài đặt. • Khối Xử lý: Dùng vi điều khiển AT89C51 để lấy dữ liệu từ khối thời gian thực, lưu trữ và đưa ra khối hiển thị và nhận tín hiệu từ khối giao tiếp. • Khối Hiển thị: lấy tín hiệu ra từ vi điều khiển, thực hiện giao tiếp với vi điều khiển để hiển thị giờ và ngày. • Khối giao tiếp: là khối bàn phím, thực hiện cài đặt giờ để vi điều khiển lưu dữ liệu vào trong khối thời gian thực. Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 10 Khối Xử lý Khối giao tiếp phím bấm Khối hiển thị Khối thời gian thực Khối nguồn [...]... tạo LCD Kiểm tra dữ liệu thời gian trong rtc S Có Đặt thời gian mặc định Đ Xử lý dữ liệu từ rtc S Hiển thị giờ bình thường LCD Có ngắt ngoài 0 (1) Đ Cài đặt + hiển thị thời gian cài đặt trên LCD (2) Cập nhật thời gian vào RTC Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 12 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính (1) con trỏ LCD tại vị trí giờ Thay đổi giờ Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Khối cài đặt +hiển thị thời gian cài đặt trên LCD:...Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp 2.2 Sơ đồ Call graph Module xử lý thời gian thực IC thời gian thực Chương trình điều khiển chính Module xử lý chương trình Bàn phím Hiển thị 2.3 Sơ đồ đặc tả Cài đặt Có ngắt & ấn phím Kiểm tra ngắt ngoài 0 Đọc Xử lý Thời gian trong RTC Ghi Hiể n thị Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 11 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật... 0, VĐK nhận biết được sự thay đổi này và khởi động lại trạng thái ban đầu cho hệ thống Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 14 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp 2.5.3.Khối tạo thời gian thực  DS1307 là một IC thời gian thực với nguồn cung cấp nhỏ, dùng để cập nhật thời gian và ngày tháng với 56 bytes SRAM Địa chỉ và dữ liệu được truyền nối tiếp qua 2 đường bus 2 chiều Nó cung cấp thông tin... cập liên tục đến khi chỉ thị stop đươc thực thi IC thời gian thực DS1307 2.6.2.2.Cơ chế hoạt động và chức năng của DS1307: Vcc: nối với nguồn , GND: đất X1,X2: nối với thạch anh 32,768 kHz Vbat: đầu vào pin 3V SDA: chuỗi data , SCL: dãy xung clock SQW/OUT: xung vuông/đầu ra driver  DS1307 là một IC thời gian thực với nguồn cung cấp nhỏ, dùng để cập nhật thời gian và ngày tháng với 56 bytes SRAM Địa... chương trình Các lệnh MOVC được thực thi từ bộ nhớ chương trình ngoài không được phép tìm nạp lệnh từ bộ nhớ nội, EA được lấy mẫu và được chốt khi reset, hơn nữa việc lập trình trên Flash bị cấm Như chế độ 2, cấm thêm việc kiểm tra chương trình Như chế độ 3, cấm thêm việc thực thi chương trình ngoài 2.6.2.IC thời gian thực DS1307 2.6.2.1.Giới thiệu chung về DS1307: IC thời gian thực là họ vi điều khiển của... nhập 8-bit hai chiều Port 1 cũng nhận byte địa chỉ thấp trong thời gian lập trình cho Flash • Port 2 (21-28):  Port 2 là port xuất nhập 8-bit hai chiều  Port 2 tạo ra các byte cao của bus địa chỉ trong thời gian tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chương trình ngoài và trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 16-bit Trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 8-bit,... coded decreaseimal) Bit 7 của thanh ghi seconds là bit clock halt (CH), khi bit này được thiết lập 1 thì dao động disable, khi nó được xoá về 0 thì dao động được enable Chú ý: enable dao động trong suốt quá trình cấu hình thiết lập (CH=0).Thanh ghi thời gian thực được mô tả như sau: Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 26 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp  DS1307 có thể chạy ở chế độ 24h cũng... được thiết lập thì địa chỉ đầu tiên được đọc sẽ là địa chỉ cuối cùng chứa trong con trỏ thanh ghi DS1307 sẽ nhận được một tín hiệu Not Acknowledge khi kết thúc quá trình đọc Đọc dữ liệu - chế độ slave phát • Thời gian thực hiện việc đọc, ghi dữ liệu của DS1307: sơ đồ đồng bộ: Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 29 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đồ án Hệ Thống Nhúng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Trang 30 Bộ môn Kỹ... mức cao là là PM Ở chế độ 24h thì bit 5 là bit chỉ 20h (từ 20h đến 23h)  Trong quá trình truy cập dữ liệu, khi chỉ thị START được thực thi thì dòng thời gian được truyền tới một thanh ghi thứ 2, thông tin thời gian sẽ được đọc từ thanh ghi thứ cấp này, trong khi đó đồng hồ vẫn tiếp tục chạy Trong DS1307 có một thanh ghi điều khiển để điều khiển hoạt động của chân SQW/OUT :  OUT(output control): bit... dao động thạch anh có tần số 32,768KHz để tạo dao động cho IC hoạt động Đồ án Hệ Thống Nhúng Trang 15 Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp 2.5.4.Khối hiển thị  Sử dụng LCD 16x2, hiển thị thời gian linh hoạt, hiển thị được nhiều ký tự, giúp cho việc quan sát thời gian khi đồng hồ chạy bình thường cũng như lúc cài đặt trực quan và linh hoạt hơn 2.5.5.Khối giao tiếp phím bấm  Gồm 3