ĐỒ ÁN VI XỬ LY THIẾT KẾ MẠCH LED CUBE 5X5X5 DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN AT89C51

Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để vận hành và sử dụngđược lại là một điều rất phức tạp.. Port 0 có 2 chức năng: trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng b

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ỨNG DỤNG

ĐỒ ÁN VI XỬ LÝ

THIẾT KẾ MẠCH LED CUBE 5X5X5

DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN AT89C51

Nhóm SVTH : Nguyễn Văn Thanh Hải

Nguyễn Ngô Hữu Việt

Đà Nẵng , tháng 12 năm 2011

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta

đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử

đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độnhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệuquả cao

Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để vận hành và sử dụngđược lại là một điều rất phức tạp Các bộ vi điều khiển theo thời gian cùng với sự phát triểncủa công nghệ bán dẫn đã tiến triển rất nhanh, từ các bộ vi điều khiển 4 bit đơn giản đến các

bộ vi điều khiển 32 bit, rồi sau này là 64 bit Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đanhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công – nông– lâm – ngư nghiệp cho đến các nhu cầu cần thiết trong hoạt động đời sống hằng ngày

Nền công nghệ ứng dụng vi xử lý vào đời sống ngày càng khá phổ biến và khôngngừng được phát triển Trong đời sống nó được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vựcnhư điều khiển tự động, trang trí quảng cáo, các đèn giao thông… đặc biệt là chúng ta haybăt gặp nhất là ứng dụng trong trang trí quảng cáo của vi xử lý.những biển quảng cáo nổi bậtlàm chúng ta rất tò mò Từ thực tiễn trên và sau khi học môn đồ án vi xử lý em đã chọn đềtài cho đồ án môn học này là : MẠCH ĐÈN LED CUBE 5X5X5

 4k byte ROM,128 byte RAM nội.

 4 Port I/O 8 bit

 2 bộ đếm/ định thời 16 bit

 Giao tiếp truyền dữ liệu nối tiếp

 64k byte bộ nhớ bên ngoài dung để lưu chương trình điều khiển

 64k byte bộ nhớ bên ngoài dung để lưu dữ liệu

 210 bit có thể truy xuất từng bit

 Có các lệnh xử lý bit

Sơ lược về các chân của 89C51:

Hình 2-1 Sơ đồ chân 89C51

1.1.1.Chức năng của các chân 89C51:

Port 0: từ chân 32 đến chân 39 (P0.0 _P0.7) Port 0 có 2 chức năng: trong các thiết kế

cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường IO, đối với thiết kế lớn

có bộ nhớ mở rộng nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu.

Port 1: từ chân 1 đến chân 8 (P1.0 _ P1.7) Port 1 chỉ có chức năng dung làm các

đường điều khiển xuất nhập IO

Port 2: từ chân 21 đến chân 28 (P2.0 _P2.7) Nếu không dùng bộ nhớ mở rộng bên

ngoài thì port 2 dùng làm các đường điều khiển IO.Nếu dung bộ nhớ mở rộng bên ngoài thìport 2 có chức năng là bus địa chỉ cao A0 – A15

Port 3: từ chân 10 đến chân 17 (P3.0 _ P3.7) Port 3 là port có 2 chức năng.Các chân

port này có nhiều chức năng , các công dụng chuyển đổi có liên hệ đặc biệt của 89C51 như ởbảng sau:

PSEN (Program store enable):

PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mởrộng thường được nối đến chân OE\ của Eprom cho phép đọc các byte mã lệnh

PSEN ở mức thấp trong thời gian 89C51 lấy lệnh Các mã lệnh của chương trình đượcđọc từ Eprom qua bus dữ liệu, được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 89C51 để giải mãlệnh Khi 89C51 thi hành chương trình trong EPROM nội PSEN ở mức logic 1

ALE (Address Latch Enable):

Khi 89C51 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, Port 0 có chức năng là bus địa chỉ và dữ liệu(AD7 – AD0) do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 30dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối chúngvới IC chốt

Tín hiệu ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là địa chỉ thấpnên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động

EA\ (External Access):

Tín hiệu vào EA\ ở chân 31 thường được mắc lên mức 1 hoặc mức 0

Nếu ở mức 1 thì vi điều khiển thi hành chương trình từ bộ nhớ nội

Nếu ở mức 0 thì vi điều khiển thi hành chương trình từ bộ nhớ ngoại

RST (Reset):

Ngõ vào chân 9 là ngõ vào Reset.Khi cấp điện cho hệ thống hoặc nhấn nút reset thìmạch sẽ reset vi điều khiển.Khi reset thì tín hiệu reset phải ở mức cao ít nhất 2 chu kì máy

1.1.2.Các ngõ vào bộ dao động Xtal1, Xtal2:

Bộ tạo dao động được tích hợp bên trong 89C51 Khi sử dụng 89C51, người ta chỉ cầnnối thêm tụ thạch anh và các tụ Tần số tụ thạch anh thường là 12 Mh – 24 Mh

1.2 Cấu trúc bên trong của 89C51:

1.2.1 Sơ đồ khối bên trong 89C51:

Hình 2-3 Cấu trúc bên trong của vi điều khiển

1.2.2 Tổ chức bộ nhớ

Hình 2-4 Bảng tóm tắt các vùng nhớ 89C51

RAM bên trong 89C51 được phân chia như sau:

 Các bank thanh ghi cĩ địa chỉ từ 00H đến 1FH

 RAM địa chỉ hĩa từng bit cĩ địa chỉ từ 20H đến 2FH

 RAM đa dụng từ 30H đến 7FH

 Các thanh ghi chức năng từ 80H đến FFH

Hình 2-5 Cấu trúc bộ nhớ Ram bên trong vi điều khiển

- Bộ nhớ trong 89C51 bao gờm ROM và RAM RAM trong 89C51 bao gờm nhiều thànhphần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hĩa từng bit, các bank thanh ghi và cácthanh ghi chức năng đặc biệt

- 89C51 cĩ bộ nhớ theo cấu trúc Harvard: cĩ những vùng bộ nhớ riêng biệt cho chương

20

Bank 3 1F

18

Bank 2 17

10

Bank 1 0F

08

Bank thanh ghi 0 (mặc định cho R0-R7)

07 00

RAM đa dụng

A A A9 A8

trình và dữ liệu Chương trình và dữ liệu có thể chứa bên trong 8951 nhưng 8951 vẫn có thểkết nối với 64K byte bộ nhớ chương trình và 64K byte dữ liệu

Bộ nhớ bên trong 89C51 bao gồm ROM và RAM RAM bao gồm nhiều thành phần: phầnlưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chứcnăng đặc biệt

89C51 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard: có những vùng nhớ riêng biệt cho chương trìnhvà dữ liệu Chương trình và dữ liệu có thể chứa bên trong 89C51 nhưng 89C51 vẫn có thểkết nối với 64 k byte bộ nhớ chương trình và 64 k byte bộ nhớ dữ liệu mở rộng

Ram đa dụng:

Vùng nhớ Ram đa dụng gồm có 80 byte địa chỉ từ 30H – 7FH Vùng nhớ bank thanhghi 32 byte từ 00H – 1FH cũng có thể dung làm vùng nhớ Ram đa dụng Mọi địa chỉ trongvùng Ram đa dụng đều có thể truy xuất tự do dùng kiểu địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp Bộnhớ ngan xếp của vi điều khiển dùng bộ nhớ Ram nội nên dung lượng bộ nhớ ngăn xếp nhỏ

trong khi đó các bộ vi xử lý bên ngoài làm bộ nhớ ngăn xếp nên dung lượng tùy ý mở rộng.

Ram có thể truy xuất từng bit:

89C51 chứa 210 bit được địa chỉ hóa từng bit, trong đó 128 bit chứa ở các byte có địachỉ từ 20H đến 2FH, các bit còn lại chứa trong nhóm thanh ghi chức năng đặc biệt

Ýtưởng truy xuất từng bit bằng phần mềm là một đặc tính mạnh của vi điều khiển nóichung Các bit có thể được đặt, xóa, and, or,… với 1 lệnh đơn Ngoài ra các port cũng có thểtruy xuất được từng bít làm đơn giản phần mềm xuất nhập từng bit

Các bank thanh ghi:

Bộ lệnh 89C51 hỗ trợ 8 thanh ghi có tên là R0 đến R7 và theo mặc định (sau khi resethệ thống), các thanh ghi nàyở các địa chỉ 00H đến 07H

Đây là lệnh 1 byte dùng địa chỉ thanh ghi Tuy nhiên có thể thi hành bằng lệnh 2 bytedùng địa chỉ trực tiếp nằm trong byte thứ 2: MOV A, 05H

Lệnh dùng các thanh ghi R0 đến R7 thì sẽ ngắn hơn và nhanh hơn nhiều so với lệnhtương ứng dùng địa chỉ trực tiếp

Bank thanh ghi tích cực bằng cách thay đổi các bit trong từ trạng thái chương trình(PSW) Giả sủ thanh ghi thứ 3 đang được truy xuất, lệnh sau đây sẽ di chuyển nội dung củathanh ghi A vào ô nhớ ram có địa chỉ 18H:

MOV R0, A

Các thanh ghi có chức năng đặc biệt:

89C51 có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR: Special Funtion Register) ở vùng trên củaRAM nội từ địa chỉ 80H đến FFH

Chú ý: tất cả 128 địa chỉ từ 80H đến FFH không được định nghĩa, chỉ có 21 thanh ghi chứcnăng đặc biệt được định nghĩa sẵn các địa chỉ

1.2.3 Các thanh ghi port xuất nhập:

Các port của 89C51 bao gồm port 0 ở địa chỉ 80H, port 1 ở địa chỉ 90H, port 2 ở địa chỉ

A0H, và port3 ở địa chỉ B0H tất cả các port này đều có thể truy xuất từng bit nên rất thuậntiện trong khả năng giao tiếp.

1.2.3.1 Các thanh ghi timer:

89C51 có chứa 2 bộ định thời/ đếm 16 bit được dùng cho việc định thời hoặc đếm sựkiện Timer 0 ở địa chỉ 8AH (TL0: byte thấp) và 8CH (TH0: byte cao) Timer 1 ở địa chỉ8BH (TL1: byte thấp) và 8DH (TH1: byte cao) Việc khởi động timer được Set bởi TimerMode (TMOD) ở địa chỉ 89H và thanh ghi điều khiển timer (TCON) ở địa chỉ 88H, chỉ cóTCON được địa chỉ hóa từng bit

1.2.3.2 Các thanh ghi port nối tiếp:

89C51 chứa một port nối tiếp dành cho việc trao đổi thông tin với các thiết bị nối tiếpnhư máy tính, modem hoặc giao tiếp nối tiếp với các IC khác Một thanh ghi gọi là bộ đệmdữ liệu nối tiếp (SBUF) ở địa chỉ 99H sẽ giữ cả 2 dữ liệu truyền và dữ liệu nhận Khi truyềndữ liệu thì ghi lên SBUF, khi nhận dữ liệu thì đọc SBUF Các mode vận hành khác nhauđược lập trình qua thanh ghi điều khiển port nối tiếp SCON ở địa chỉ 98H

1.2.3.3 Các thanh ghi ngắt:

89C51 có cấu trúc 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên Các ngắt bị cấm sau khi reset hệthống và sẽ được cho phép bằng việc ghi thanh ghi cho phép ngắt (IE) ở địa chỉ A8H, cả 2thanh ghi được địa chỉ hóa từng bit

1.2.3.4 Thanh ghi điều khiển công suất:

Thanh ghi điều khiển công suất (PCON) ở địa chỉ 87H chứa các bit điều khiển

1.2.3.5 Tín hiệu Reset:

89C51 có ngõ vào reset RST tác động ở mức cao trong khoảng thời gian 2 chu kỳ, sau

đó xuống mức thấp để 89C51 bắt đầu làm việc RST có thể kích bằng tay bằng một phímnhấn thường mở, sơ đồ mạch reset như hình trên (hình a)

sau khi reset hệ thống được tóm tắt như sau:

Thanh ghi Nội dungĐếm chương trình PC

Thanhghi tích lũy AThanh ghi B

Thanh ghi trạng tháiSP

DPTRPort 0 đến Port 3IP

IECác thanh ghi định thời

0000H00H00H00H07H0000HFFHXXX0000 B0XX00000 B00H

1.2.3.6.Hoạt động thanh ghi TIMER:

89C51 có hai timer 16 bit, mỗi timer có bốn cách làm việc Người ta sử dụng các timerđể:

 Định khoảng thời gian

 Đếm sự kiện

 Tạo tốc độ baud cho port nối tiếp trong 89C51

Trong các ứng dụng định khoảng thời gian, người ta lập trình timer ở những khoảngđều đặn và đặt cờ tràn timer Cờ được dùng để đồng bộ hóa chương trình để thực hiện mộttác động như kiểm tra trạng thái của các ngõ vào hoặc gửi sự kiện ra các ngõra Các ứngdụng khác có thể sử dụng việc tạo xung nhịp đều đặn của timer để đo thời gian trôi qua giữahai sự kiện (ví dụ đo độ rộng xung )

Truy xuất các timer của 89C51 dùng sáu thanh ghi chức năng đặc biệt cho trong bảngsau:

SFR Mục Đích Địa chỉ Địa chỉ hóa từng bit

TL1 Byte thấp của Timer 1 91H Không

Các thanh ghi chức năng của timer trong 8031

1.2.3.7 Thanh ghi chế độ timer (TMOD):

Thanh ghi TMOD chứa hai nhóm 4 bit dùng để đặt chế độ làm việc cho Timer 0, vàTimer 1

Bit Tên Timer Mô tả

7 GATE 1 Bit mở cổng, khi lên 1 timer chỉ chạy khi INT1 ở mức

cao

6 C/T 1 Bit chọn chế độ Count/Timer

1 = bộ đếm sự kiện

0 = bộ định khoảng thời gian

3 GATE 0 Bit mở cổng, khi lên 1 timer chỉ chạy khi INT0 ở mức

cao

2 C/T 0 Bit chọn chế độ Count/Timer

Tóm tắt thanh ghi chức năng TMOD

1.2.3.8 Thanh ghi điều khiển timer(TCON)

Thanh ghi TCON chứa các bit trạng thái và các bit điều khiển cho Timer 1, Timer 0.Bit Ký hiệu Địa chỉ Mô tả

TCON.7 TF1 8FH Cờ báo tràn timer 1 Đặt bởi phần cứng khi tràn,

được xóa bởi phần mềm, hoặc phần cứng khi bộxử lý chỉ đến chương trình phục vụ ngắt

TCON.6 TR1 8EH Bit điều khiển timer 1 chạy đặt xóa bằng phần

mềm để cho timer chạy ngưng

TCON.5 TF0 8DH Cờ báo tràn Timer 0

TCON.4 TR0 8CH Bit điều khiển Timer 0 chạy

TCON.3 IE1 8BH Cờ cạnh ngắt 1 bên ngoài Đặt bởi phần cứng

khi phát hiện một cạnh xuống ở INT1 xóa bằngphần mềm họăc phần cứng khi CPU chỉ đếnchương trình phục vụ ngắt

TCON.2 IT1 8AH Cờ kiểu ngắt 1 bên ngoài Đặt xóa bằng phần

mềm để ngắt ngoài tích cực cạnh xuống /mứcthấp

TCON.1 IE0 89H Cờ cạnh ngắt 0 bên ngòai

TCON.0 IT0 88h Cờ kiểu ngắt 0 bên ngoài

1.2.3.9 Khởi động và truy xuất thanh ghi timer:

Thông thường các thanh ghi được khởi động một lần đầu ở chương trình để đặt ở chế

độ làm việc đúng Sau đó, trong thân chương trình, các thanh ghi timer được cho chạy, dừng,các bit được kiểm tra và xóa, các thanh ghi timer được đọc và cập nhật… theo đòi hỏi cácứng dụng

TMOD là thanh ghi thứ nhất được khởi động vì nó đặt chế độ hoạt động Ví dụ, cáclệnh sau khởi động Timer 1 như timer 16 bit (chế độ 1) có xung nhịp từ bộ dao động tên chipcho việc định khoảng thời gian:

MOV TMOD, #1B

Lệnh này sẽ đặt M1 = 1 và M0 = 0 cho chế độ 1, C/ T= 0 và GATE = 0 cho xung nhịpnội và xóa các bit chế độ Timer 0 Dĩ nhiên, timer không thật sự bắt đầu định thời cho đếnkhi bit điều khiển chạy TR1 được đặt lên 1

Nếu cần số đếm ban đầu, các thanh ghi TL1/TH1 cũng phải được khởi động Mộtkhoảng 100 s có thể được khởi động bằng cách khởi động giá trị cho TH1/TL1 là FF9CH:

MOV TL1, #9CH MOV TH1, #0FFH

Rồi timer được cho chạy bằng cách đặt bit điều khiển chạy như sau:

SETB TR1

Cờ báo tràn được tự động đặt lên 1 sau 100 s Phần mềm có thể đợi trong 100 s bằngcách dùng lệnh rẽ nhánh có điều kiện nhảy đến chính nó trong khi cờ báo tràn chưa được đặtlên 1:

Khi có hai hoặc nhiều ngắt đồng thời, hoặc một ngắt xảy ra khi một ngắt khác đangđược phục vụ, có cả hai sự tuần tự hỏi vòng và sơ đồ ưu tiên hai mức dùng để xác định việcthực hiện các ngắt Việc hỏi vòng tuần tự thì cố định nhưng ưu tiên ngắt thì có thể lập trìnhđược.

Cho phép và cấm ngắt :

Mỗi nguồn ngắt được cho phép hoặc cấm ngắt qua một thanh ghi chức năng đặt biệt cóđịnh địa chỉ bit IE ( Interrupt Enable : cho phép ngắt ) ở địa chỉ A8H

Bit Ký hiệu Địa chỉ bit Mô tả

IE.5 ET2 ADH Cho phép ngắt từ Timer 2

(8052)IE.4 ES ACH Cho phép ngắt port nối tiếp

Tóm tắt thanh ghi IE

Các cờ ngắt :

Khi điều kiện ngắt xảy ra thì ứng với từng loại ngắt mà loại cờ đó được đặt lên một đểxác nhận ngắt

Các lọai cờ ngắt

Các vectơ ngắt :

Khi chấp nhận ngắt, giá trị được nạp vào PC được gọi là vector ngắt Nó là địa chỉ bắt

đầu của ISR cho nguồn tạo ngắt, các vector ngắt được cho ở bảng sau

Ngắt Cờ Địa chỉ vector

Vector reset hệ thống (RST ở địa chỉ 0000H) được để trong bảng này vì theo nghĩa này,

nó giống ngắt : nó ngắt chương trình chính và nạp cho PC giá trị mới

CHƯƠNG 2

MẠCH ĐÈN LED CUBE 5X5X5

2.1 Nguyên lý làm việc của mạch Led cube:

Mạch điện sử dụng Vi Điều Khiển nên về phần cứng khá đơn giản

Khối điều khiển trung tâm sử dụng Vi Điều Khiển 89C51

Khi ta cấp nguồn cho vi xử lí thì vi xử lí sẽ hoạt động Nó sẽ cấp nguồn cho các chân của

vi xử lí Và mạch sẽ hoạt động theo chế độ đã định sẵn

Vi điều khiển sẽ xuất tín hiệu ra các port để làm sáng đèn Led mong muốn

2.1.1 Khối Led cube 5x5x5:

Trước khi đi vào nguyên lý hoạt động của mạch ta tìm hiểu qua về khối Led Cube.Khối LED cube có đủ kích cỡ khác nhau (5x5x5, 8x8x8, 10x10x10, 16x16x16 ),mỗi khối gồm có rất nhiều LED đơn được ghép lại với nhau Trong khối đó các LED đơnđược ghép từ nhiều lớp xếp chồng lên nhau, mỗi lớp gồm nhiều hàng và cột Tại mỗi giaođiểm của hàng với cột là một LED đơn

Khi thiết kế những khối LED ta cần chú ý đến sự đồng đều về độ sáng của các LED

để việc hiển thị được đồng đều Bên cạnh đó vấn đề cấp nguồn cho mạch cũng cần được chúý và thiết kế cho phù hợp Trong đề tài này em sử dụng khối LED 5x5x5

 Sau đây là cách ghép nối của khối LED cube 5x5x5:

Led cube 5x5x được tạo thành từ 125 bóng Led, xếp thành 5 lớp mỗi lớp 25 bóng.Ở đây ta không dùng 125 mối nối để thắp sáng từng bóng đèn mà ta sẽ mắc chung cácchân anot của 25 bóng đèn trên 1 lớp với nhau và mắc chung 5 chân Katot để tạo thành 1cột

Bước 1: Tạo khung Led: sử dụng gỗ ép, xốp, bìa catong…tùy vào vật liệu sẵn có

để tạo khung cho LED Ta vẽ hình vuông lớn rồi chia thành 25 ô nhỏ đều nhau cạnh2cm tại giao điểm của các cạnh hình vuông ta đục lỗ cho bằng đường kính của Led

Bước 2: Bẻ chân Led: chân Katot ta giữ nguyên, chân Anot ta bẻ vuông góc vớichân Katot

Bước 3: Hàn Led: sau khi bẻ chân Led, ta đặt Led vào các lỗ trên khung và hàn

Ta sẽ hàn các chân Anot lại với nhau Sau khi hàn xong 25 Led ta được lớp thứ nhất

Tương tự ta sẽ có các lớp tiếp theo

Sau đó ta sẽ xếp chồng các lớp Led lên với nhau và hàn các chân Katot ở các cộttương ứng lại với nhau ta sẽ được khối Led 5x5x5