Đang tải... (xem toàn văn)
Phần cứng 1. Bộ vi xử lý 2. Bộ nhớ chương trình ROM :8KB từ địa chỉ 0000H 3. Bộ nhớ dữ liệu RAM : 8KB ( địa chỉ tuỳ chọn ) 4. Cổng vào tương tự 8 kênh nhận tín hiệu đo nhiệt độ từ 0V5V tương ứng với nhiệt độ 0100C, các cổng vào ra số liệu và mạch điều khiển. Phần mềm 1. Tín hiệu cho phép chạy và dừng chương trình. Tín hiệu dừng khẩn cấp 2. Đọc tín hiệu đo nhiệt độ từ 8 kênh và lưu trữ vào vùng nhớ RAM . 3. Sau mỗi lần đọc tính nhiệt độ trung bình cộng của 8 kênh và gửi ra cổng hiển thị bằng đèn LED. 4. So sánh nhiệt độ của từng kênh với giá trị nhiệt độ trung bình. Nếu kết quả lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị cho phép cho trước thì gửi tín hiệu báo động cao hoặc thấp tương ứng với kênh đó .Giá trị cho phép này đặt trong một ô nhớ của RAM
THIẾT KẾ HỆ VI XỬ LÝ 8 BIT I. YÊU CẦU Phần cứng 1. Bộ vi xử lý 2. Bộ nhớ chương trình ROM :8KB từ địa chỉ 0000H 3. Bộ nhớ dữ liệu RAM : 8KB ( địa chỉ tuỳ chọn ) 4. Cổng vào tương tự 8 kênh nhận tín hiệu đo nhiệt độ từ 0V÷5V tương ứng với nhiệt độ 0°÷100°C, các cổng vào ra số liệu và mạch điều khiển. Phần mềm 1. Tín hiệu cho phép chạy và dừng chương trình. Tín hiệu dừng khẩn cấp 2. Đọc tín hiệu đo nhiệt độ từ 8 kênh và lưu trữ vào vùng nhớ RAM . 3. Sau mỗi lần đọc tính nhiệt độ trung bình cộng của 8 kênh và gửi ra cổng hiển thị bằng đèn LED. 4. So sánh nhiệt độ của từng kênh với giá trị nhiệt độ trung bình. Nếu kết quả lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị cho phép cho trước thì gửi tín hiệu báo động cao hoặc thấp tương ứng với kênh đó .Giá trị cho phép này đặt trong một ô nhớ của RAM 5. Chương trình dừng lại và báo động bằng còi khi xảy ra một trong các trường hợp sau: • Có ít nhất 4 kênh đo vượt quá hoặc nhỏ hơn giới hạn cho phép so với giá trị trung bình • Giá trị nhiệt độ trung bình lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị giới hạn MAX, MIN tương ứng. Các giá trị giới hạn MAX, MIN được đặt trong 2 ô nhớ của RAM II. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH 1. Chọn bộ vi xử lý (8085 hoặc 8051,). Thiết kế sơ bộ sơ đồ khối 2. Thiết kế bộ nhớ, cổng vào /ra bằng mạch logic,mạch giải mã, mạch chốt,ADC,Xác định địa chỉ cho các tín hiệu vào /ra. Lập bản đồ bộ nhớ 3. Chọn linh kiện .Nghiên cứu và chọn chế độ làm việc của linh kiện phù hợp với yêu cầu (logic và vật lý) cho thiết kế ở bước 2. 4. Thiết kế sơ đồ chi tiết cho hệ 5. Xây dựng phần mềm trên cơ sở sơ đồ đã thiết ở bước 4: • Xây dựng lưu đồ chương trình • Xây dựng cấu chúc chương trình III. • Soạn thảo chương trình bằng mã ngữ của bộ vi xử lý đã chọn LỜI NÓI ĐẦU Vào năm 1971 tập doàn INTEL đã cho ra đời họ vi xử lý đầu tiên 4004 là vi xử lý 4 bit .Và từ đó đến nay nó liên tục phát triển và nâng cao từ họ vi xử lý 4 bit đầu tiên đến nay là vi xủ lý 32 bit và 64 bit với tần số xung nhịp f=100÷200 MHz , ngày nay chúng được ứng dụng rộng rãi vào trong cuộc sống và đặc biệt là trong các ngành công nghiệp Bên cạnh họ vi xử lý, vào năm 1976 INTEL giới thiệu bộ vi điều khiển (microcontroler) 8748, một chip tương tự như các bộ vi xử lý và là chip đầu tiên trong họ vi điều khiển MCS – 48, bao gồm 1 CPU , 1Kbyte EPROM, 64 byte RAM, 27 chân xuất nhập và một bộ định thời 8 bit Độ phức tạp , kích thước và khả năng của bộ vi điều khiển được tăng lên 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. Chip này chứa trên 60000 transistor, bao gồm 4 K byte ROM, 128 byte RAM , 32 dường xuất nhập, 1 port và 2 bộ định thời 16 bit đây là một số lượng mạch đáng chú ý trong một IC đơn chip. Các thành viên mới đựơc thêm vào họ MCS –51 và các biến thể ngày nay gần như gấp đôi các đặc trưng này Dưới sự phát triển mạnh mẽ đó của công nghệ vi xử lý thì việc tìm hiểu nghiên cứu để nắm bắt công nghệ, tìm cách ứng dụng vào thực tế là một công việc quan trọng của sinh vên,những người kỹ sư tương lai Với kiến thức về vi xử lý được học trong hai kỳ, có sự tham khảo trong sách vở, và đặc biệt được sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thày giáo em đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế dùng chip vi điều khiển 8051 áp dụng vào đo nhiệt độ của lò. Thông qua bản thiết kế này em đã được áp dụng những kiến thức đã học vào công việc thiết kế phần cứng và viết phần mềm cho hệ vi điều khiển. Tuy vậy, đây mới chỉ là phần lý thuyết , em rất muốn thiết kế mạchthật để thấy được phần thiếu sót trong khi thiết kế và lập trình.Nhưng do thời gian có hạn cũng như kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu xót Em mong thày cô chỉ bảo và giúp đỡ em I. II. 2 THIẾT KẾ HỆ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 I. Giới thiệu vi điều khiển 8051. Là vi xử lý đơn chíp 8 bit được sử dụng cho những ứng dụng công nghiệp, được hãng intel công bố vào năm 1980. 8051 là bộ vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS –51, với những đặc điểm sau: Độ dài từ dữ liệu là 8 bit Rất tiện dùng cho hệ điều khiển Tập lệnh rất phong phú với 256 lệnh ROM bên trong là 4 K RAM bên ngoài là 128 byte Có 32 đường vào ra theo hai hướng qua 4port xuất nhập ( I/O port) 8 bit, và có thể địa chỉ riêng từng đường Có 2 bộ định thời 16 bit Không gian địa chỉ của ROM & RAM có thẻ đến 64K Có 6 nguồn ngắt ,5 vector ngắt với 2 mức ưu tiên Đã có bộ giao động bên trong với tần số 12Mhz Có 2 thanh chứa A & B mỗi thanh 8 bit, trong đó B thường dùng cho phép chia Sơ đồ khối của chip 8051 Tổ chức bộ nhớ trong 8051: I. II. 3 8051 có 2 khoảng địa chỉ độc lập cho bộ nhớ chương trình( ROM ) và bộ nhớ dữ liệu( RAM ) . Sự độc lập của bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu cho phép bộ nhớ dữ liệu được xử lí bởi địa chỉ 8 bit . Nó có thể được lưu trữ và thao tác nhanh hơn bởi CPU 8 bit . Tuy nhiên địa chỉ 16 bit cũng có thể được phát ra thông qua thanh ghi DPTR. Bộ nhớ chương trình (ROM,EPROM) là bộ nhớ chỉ có đọc . Bộ nhớ này có thể lên tới 64Kbyte . Trong 8051 4Kbyte thấp nhất của bộ nhớ chương trình là trên chip.Bộ nhớ ngoài có thể đọc được nhờ tín hiệu chốt của chân PSEN. Bộ nhớ dữ liệu RAM độc lập với bộ nhớ chương trình 128 byte thấp nhất của bộ nhớ dữ liệu trên chip và nó có thể truy nhập đến 64Kbyte ngoài CPU sẽ phát ra các tín hiệu RD và WR cần thiết trong suốt quá trình xử lí bộ nhớ dữ liệu . a/ Bộ nhớ chương trình( ROM ) : 4 Kbyte ROM trong có thể được chọn bởi nối chân EA vào mức 0 (nếu bằng 1 thì ROM ngoài ) . Khi truy nhập bộ nhớ ngoài sử dụng cổng P0 và P2 làm 16 đường vào ra . Trong đó P0 làm chức năng Bus địa chỉ và Bus dữ liệu, chân ALE xuất hiện tín hiệu chốt địa chỉ( byte thấp của dịa chỉ 16 bit) b/ Bộ nhớ dữ liệu : Bộ nhớ dữ liệu được chia thành 4 vùng : - Vùng 1 :Địa chỉ từ 00H đến 1FH là phần thấp nhất được chia thành 4 khối của 8 thanh ghi . Các lệnh của chương trình sẽ gọi các thanh ghi này từ R0 đến R7 . Hai bit trong thanh ghi trạng thái (RS0,RS1 ) sẽ lựa chọn khối 4 này . I. II. 4 SFR RAM thường đa mụcđích Bit addressable Bank 3 Bank 3 Bank 2 Bank 1 Bank 0 FF 80 7F 30 2F 20 1F 18 17 10 0F 08 07 00 - Vùng 2: Địa chỉ từ 20H đến 2FH bao gồm 16 byte là vùng ô nhớ địa chỉ theo bit . - Vùng 3: Địa chỉ từ 30H đến 7FH làm chức năng thông thường của bộ nhớ RAM - Vùng các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR).Có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt chiếm phần trên của RAM nội từ địa chỉ 80H đến FFH. Sơ đồ chân của 8051 I. II. 5 II. Sơ đồ khối của hệ thống: a. Bộ vi điều khiển 8051:Có chức năng điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống b. Bộ nhớ chương trình ROM ( Read Only Memory): Chỉ có thể đọc số liệu viết trong ROM, không thể viết vào trong quá trình lập trình, khi nguồn nuôi mất thì số liệu trong ROM vẫn còn. ROM được dùng để chứa chương trình điều hành hoặc các chương trình ứng dụng “ user’s program” c. Bộ nhớ dữ liệu RAM ( Random Access Memory): Nghĩa là tại thời điểm bất kỳ người dùng cũng có thể viết số liệu vào trong RAM hoặc đọc từ RAM ra bằng lệnh W/R Khi nguồn nuôi mất thì số liệu trong RAM cũng mất, như vậy RAM được dùng để chứa số liệu trao đổi giữa hệ vi điều khiển và thiết bị ngoại vi d. Các cổng vào ra I/O: Các vi mạch vào ra để làm cổng vào ra số liệu, các vi mạch này sẽ trao đổi trực tiếp số liệu với ngoại vi ( các cảm biến, công tắc tơ, …) Các thiết bị ngoại vi trao đổi tín hiệu với vi xử lý trực tiếp qua I/O e. Các thiết bị ngoại vi: Là các sensor đo nhiệt độ để cảm biến nhiệt độ của đối tượng cần đo, thông qua bộ biến đổi A/D biến các đại lượng tương tự thành thông tin về nhiệt độ đưa vào cổng vào ra I/O để đưa vào hệ vi điều khiển xử lý.Bộ hiển thị đèn LED để hiển thị nhiệt độ đo I. II. 6 Address Bus 8051 ROM RAM I/O Ngoai vi Data Bus Control Bus EXTERNAl EXTERNAL INTERNAL FFFFH EA=0 EXTER NAL EA=1 INTER NAL FFH 00 0000 < 0000> PSEN RD WR PROGRAM MEMORY DATA MEMORY Quan hệ về mặt trao đổi thông tin giữa các khối chức năng: Từ ngoại vi , các bộ sensor cảm biến nhiệt độ đầu vào của nó là nhiệt độ của đối tượng đo, đầu ra là giá trị điện áp biến thiên từ 0V÷5V, giá trị biến thiên điện áp này đuợc đưa đến bộ biến đổi tương tự số A/D Đầu ra của bộ A/D là các tín hiệu số (số hexa) mang thông tin về nhiệt độ. Thông tin này đưa đến cổng vào ra I/O , thông qua Data Bus vào vi xử lý Vi xử lý định địa chỉ và cất số liệu vào bộ nhớ dữ liệu RAM III. Thiết kế bộ nhớ, cổng vào ra, mạch giải mã, mạch chốt, ADC 1. Thiết kế bộ nhớ: Hầu hết các bộ vi sử lý(CPU) đều có không gian nhớ chung cho dữ liệu và chương trình vì chương trình thường được lưu trữ trên đĩa và được nạp vào RAM để thực thi. Vì vậy cả hai dữ liệu và chương trình đều được lưu trú trong RAM. Các chíp vi điều khiển thường 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 Do vậy 8051 có không gian nhớ riêng cho chương trình và dữ liệu. Cả hai bộ nhớ này đều đặt bên trong chip I. II. 7 • Bộ nhớ ngoài Bộ nhớ chương trình EPROM Trong vi điều khiển bộ nhớ chương trình của nó có 4K byte ROM trong,và bộ nhớ ngoài EPROM2732 có dung lượng 4K. Đây là bộ nhớ lập trình xoá bằng tia cực tím, nó có tốc độ truy nhập rất nhanh, nó có 12 đường chọn địa chỉ và có 8 đường ra dữ liệu. EPROM chỉ được hoạt động khi chân #OE ở mức tích cực thấp, nó được vi điêù khiển chọn làm việc khi chân #CE cũng được tích cực thấp. EPROM được nuôi với mức điện áp 5V, điện áp này được đưa vào bộ nhớ thông qua chân Vpp . Địa chỉ của EPROM trong hệ thống là 0000÷0FFFH.Địa chỉ này được chọn bởi vi mạch giải mã địa chỉ 74138, với đầu chọn chip là 0CS Sơ đồ chân của EPROM Bộ nhớ ngoài RAM Bên cạnh bộ nhớ chương trình EPROM ta còn sử dụng bộ nhớ ngoài RAM có dung lượng 8K byte, có 13 đường địa chỉ 8 đường dữ liệu. Nó có địa chỉ 2000÷3FFF, địa chỉ này được chọn ra trong vùng địa chỉ của vi điều khiển bởi chân # 1CS . Ngoài ra còn có đường chọn vỏ khác là CS2 được nối tích cực và có hai đườngtín hiệu yêu cầu đọc viết là #OE, #WE . Sơ đồ chân của RAM I. II. 8 2732 2. Các mạch phụ trợ a. Mạch giải mã 74LS138 Khi muốn có nhiều đầu ra chọn vỏ từ bộ giải mã thì không nên dùng mạch NAND đơn giản nữa mà nên dùng mạch giải mã đã chế tạo chuẩn. Nó bao gồm 14 chân, trong đó: 0CS ÷ 7CS là các đường ra địa chỉ, tích cực ở mức thấp,có thể dùng chọn cho bộ nhớ 8 KB A,B,C là 3 đường địa chỉ vào , tích cực cao. E1 ,E2 là các đầu vào cho phép làm viêc , tích cực ở mức thấp. E3 là các đầu vào cho phép làm viêc , tích cực ở mức cao. Ta có bảng chân lý sau: C B A 1E 2E E3 0CS 1CS 2CS 3CS 4CS 5CS 6CS 7CS X X X 1 X X 1 1 1 1 1 1 1 1 X X X X 1 X 1 1 1 1 1 1 1 1 X X X X X 0 1 1 1 1 1 1` 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 I. II. 9 Sơ đồ chân vi mạch: 74LS138 A2 A1 A0 E3 E2 E1 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 U1 74LS138 b. Mạch chốt 74HC373 Khi port 0 được sử dụng làm bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp. Chân ALE của VXL xuất hiện tín hiệu dể chốt địa chỉ, tín hiệu này được nối vào đầu vào chốt của vi mạch 74HC373 và tín hiệu địa chỉ được chốt ở đây trong 1/2 chu kỳ đầu của bộ nhớ.Chân port 0 sẽ xuất nhập dữ liệu hợp lệ trong suốt 1/2 chu kỳ còn lại c. Bộ chuyển đổi tương tự số ADC 0809 Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi tương sang số 8 bit, bộ chọn kênh và mật bộ logic điều khiển tương thích. Bộ chuyển đổi tương tự số này sử dụng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ. Bộ chọn kênh có thể chọn ra kênh cần chuyển đổi bằng 3 chân chọn địa chỉ. Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm zero bên ngoài và khả năng điều chỉnh tỉ số làm cho ADC đễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý. - ý nghĩa các chân: I. II. 10