bài tập lớn môn vi xử lý.DOC

bài tập lớn môn vi xử lý

Trờng đại học Bách khoa Hà Nội Khoa điện tử viễn thông

Lời nói đầu

Trong một xã hội hiện đại, sự phát triển của ngành điện tử viễn thông là một yêu cầu không thể thiếu để thúc đẩy nền kinh tế phát triển và góp phần nâng cao đời sống xã hội.

Ngày nay, trên thế giới, điện tử viễn thông vẫn không ngừng phát triển với tốc độ rất cao và thâm nhập ngày càng sâu vào tất cả các lĩnh vực của đời

1

sống xã hội Cùng với sự phát triển nh vũ bão đó, ngành điện tử viễn thông Việt Nam cũng đang nỗ lực hết sức trên con đờng tìm chỗ đứng cho mình Trong đó, lĩnh vực bảo mật là một mảng lớn mà chúng ta cần quan tâm Chính vì thế, với mục đích làm quen bớc đầu với việc thiết kế mạch điện tử nói chung và với hệ thống an toàn, bảo mật nói riêng, chúng em chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống khóa mã điện tử ” để nghiên cứu và thực hiện Hệ thống này cho phép ta quản lý và hạn chế đợc số ngời ra vào theo mã số trong khu vực cần bảo mật với độ an toàn cao.Đề tài tuy không lớn song về mặt nguyên lý thì có thể phát triển thành các ứng dụng quản lý theo thẻ từ, mã vạch,mã hoá trong các khu vực đặc biệt cần phải có may tính hiện đại với CSDL,ngoài mật mã ra còn kiểm tra tần số giọng nói và camera kiểm tra hình ảnh… mà mà hiện nay đang rất cần thiết Vì thế, đối với chúng em đây là bớc cơ sở để nghiên cứu những ứng dụng lớn hơn sau này.

Trong quá trình thực hiện đề tài, tuy đã rất cố gắng song do những hạn chế về thời gian tìm hiểu, kiến thức cũng nh kinh nghiệm thực tế nên chúng em không tránh khỏi nhiều thiếu sót Chúng em rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để đề tài của chúng em đợc hoàn thiện hơn, với nhiều chức năng hơn

Hà Nội ngày 25 tháng 11 năm 2005

PHầN1: Giới thiệu chức năng hệ thống

Đây là một hệ thống đóng mở theo mã cho phép một số ít ngời có thể ra vào theo mã của họ Nó có thể đợc áp dụng làm cửa ra vào của các hệ thống cần mang tính bảo mật, giới hạn số ngời ra vào nh: Cửa ra vào cơ quan, nhà máy, các khu quan trọng

Trên cơ sở đó, hệ thống phải đảm bảo đợc hai yêu cầu cơ bản sau: -Tính an toàn: do là cửa nên phải có chức năng bảo vệ -Tính bảo mật.

Do đó chúng em đã đa ra yêu cầu một hệ thống có chức năng đóng

I Chức năng hệ thống:

 Hệ thống quản lí một số mã ứng với một số ngời đợc cho phép ra vào ở của này và hoạt động trên cơ sở các mã này.

 Khi bắt đầu , ngời điều khiển chọn chức năng thực hiện:

 Nếu chọn Open: sau đó sẽ nhập mã Kết thúc nhập mã băng nút Enter -Nếu mã đúng: cửa sẽ mở(mô phỏng trên mạch bằng việc bật hay tắt đèn LED xanh)

-Nếu mã sai: không có hiện tợng gì cả Nếu nhập mã sai 3 lần liên tiếp chuông sẽ báo động (mô phỏng trên mạch bằng việc bật hay tắt đèn LED đỏ)

 Nếu chọn Change: Kiểm tra xem mã cũ có đúng hay không.

-Nếu mã đúng: cho phép thay đổi mã bằng cách nhập vào mã mới và xác nhận đúng mã này một lần nữa.

-Nếu mã sai: không có hiện tợng gì cả Nếu nhập mã sai ba lần liên tiếp chuông sẽ báo động.

 Trong quá trình nhập mã, nếu có nhầm lẫn có thể nhập lại bằng cách sử dụng nút Backspace(< )

II Phân tích hệ thống :

II.1.Khả năng đáp ứng yêu cầu của hệ thống:

Hệ thống giao tiếp với ngời sử dụng chỉ bằng bàn phím và hiển thị do vậy nó hạn chế đợc tác động của ngời sử dung vào nội dung bên trong của khoá.

Với số lợng mã không lớn (cỡ 10 mã), mỗi mã dài sáu chữ số thì xác suất tìm thấy mã đúng là: 10/1.000.000 = 0,0001%.Thêm vào đó là khả năng báo động khi nhập ba mã sai liên tiếp làm cho hệ thống có tính an toàn cao.

Mỗi ngời có một mã riêng Nếu nghi ngờ lộ mã, ngời dùng có thể thay đổi mã theo mong muốn Nhờ đó mà khả năng bảo mật của hệ thống cũng tăng cao.

II.2 Phân tích hệ thống:

Do giới hạn của bài tập, chúng em chỉ tập trung vào thiêt kế phần mạch điện tử để điều khiển hệ thống này.

Theo yêu cầu đa ra, hệ thống gồm 3 khối cơ bản:

3

- Sử dụng cácphím bấm tự nhả để nhập vào  Khối mạch xử lí: Xử lí các hoạt động đã nêu ở yêu cầu hệ thống.

 Khối hiển thị: Giúp cho việc giao tiếp với ngời sử dụng trở nên dễ dàng hơn ngời sử dụng biết mình đang thực hiện thao tác gì với cửa.

PHầN 2: Các phơng án

Trên cơ sở các yêu cầu đã đặt ra và các phân tích sơ bộ, từng khối đều có các phơng án giải quyết nh sau:

I Khối bàn phím:

Bàn phím gồm các nút Mỗi nút là một bộ phận đóng mở bằng cơ khí Các mã của bàn phím tạo ra có thể đợc tạo ra trực tiếp hoặc bằng phép quét hàng và quét cột Số đầu dây ra từ bàn phím phải phù hợp với đầu vào của mạch xử lí Đồng thời với càng ít dây thì khả năng ổn định của bàn phím

Sơ đồ của bàn phím nh sau

II Khối hiển thị:

Yêu cầu đặt ra đối với khối hiển thị là thân thiện với ngời sử dụng Trên cơ sở đó ta có 2 phơng án sau:

II.1.Phơng án 1: Dùng LED 7 thanh:

 Ưu điểm: Đơn giản, rẻ.

 Nhợc điểm: Không chỉ dẫn cụ thể.Giới hạn kí tự hiển thị ra Nếu muốn hiển thị chỉ dẫn dài cần nhiều LED và đi kèm với nó là bộ giải mã Điều này làm cho hệ thống trở nên cồng kềnh, phức tạp.Việc lập trình quét hàng quét cột để hiển thị phức tạp.

II.2.Phơng án 2: Dùng LCD.

 Ưu điểm: Hiển thị rõ ràng có kèm theo chỉ dẫn.

Thay đổi nội dung linh hoạt.Xử lý lập trình đơn giản hơn LED7

- Vi điều khiển có khả năng điều khiển linh hoạt theo mong muốn của ngời sử dụng dựa vào phần mềm đợc viết.

- Khả năng thay đổi mã có thể thực hiện đợc.

- Hệ thống đơn giản hơn nhiều, kích thức nhỏ Hơn nữa sẽ giảm đợc độ kém ổn định do nhiều linh kiện gây ra - Có thể thay đổi, thêm chức năng bằng cách thay đổi

phần mềm  Nhợc điểm:

5

- Chất lợng của hệ thống phụ thuộc vào chất lợng chơng trình đợc nạp cho vi điều khiển.

Thiết kế một hệ vi điều khiển bao gồm cả việc thiết kế tổ chức phần cứng và viết phần mềm cho nền phần cứng mà ta thiết kế Việc xem xét giữa tổ chức phần cứng và chơng trình phần mềm cho một thiết kế là một vấn đề cần phải cân nhắc Vì khi tổ chức phần cứng càng phức tạp, càng có nhiều chức năng hỗ trợ cho yêu cầu thiết kế thì phần mềm càng đợc giảm bớt và dễ dàng thực hiện nhng lại đẩy cao giá thành chi phí cho phần cứng, cũng nh chi phí bảo trì Ngợc lại với một phần cứng tối thiểu lại yêu cầu một chơng trình phần mềm phức tạp hơn, hoàn thiện hơn; nhng lại cho phép bảo trì hệ thống dễ dàng hơn cũng nh việc phát triển tính năng của hệ thống.

Từ yêu cầu và nhận định trên ta có những định hớng sơ bộ cho thiết kế nh sau:

I.1.Chọn bộ vi điều khiển:

Từ yêu cầu của đề bài ta dự kiến dùng các chip vi điều khiển thuộc họ MCS-51 của Intel, mà cụ thể ở đây là dùng chip 8051 vì những lý do sau:

 Thứ nhất 8051 thuộc họ MCS-51, là chip vi điều khiển Đặc điểm của các chip vi điều khiển nói chung là nó đợc tích hợp với đầy đủ chức năng của một hệ VXL nhỏ, rất thích hợp với những thiết kế hớng điều khiển Tức là trong nó bao gồm: mạch VXL, bộ nhớ chơng trình và dữ liệu, bộ đếm, bộ tạo xung, các cổng vào/ra nối tiếp và song song, mạch điều khiển ngắt  Thứ hai là, vi điều khiển 8051 cùng với các họ vi điều khiển

khác nói chung trong những năm gần đây đợc phát triển theo các hớng sau:

Giảm nhỏ dòng tiêu thụ.

Tăng tốc độ làm việc hay tần số xung nhịp của CPU Giảm điện áp nguồn nuôi.

Có thể mở rộng nhiều chức năng trên chip, mở rộng cho các thiết kế lớn.

Những đặc điểm đó dẫn đến đạt đợc hai tính năng quan trọng là: giảm công suất tiêu thụ và cho phép điều khiển thời gian thực nên về mặt ứng dụng nó rất thích hợp với các thiết kế hớng điều khiển.

 Thứ ba là, vi điều khiển thuộc họ MCS-51 đợc hỗ trợ một tập lệnh phong phú nên cho phép nhiều khả năng mềm dẻo trong vấn đề viết chơng trình phần mềm điều khiển.

 Cuối cùng là, các chip thuộc họ MCS-51 hiện đợc sử dụng phổ biến và đợc coi là chuẩn công nghiệp cho các thiết kế khả dụng.Với sinh viên mới làm quen với VĐK thì 8051 có nhiều tài liệu tham khảo,đồng thời cũng sử dụng đơn giản nhất Mặt khác, qua việc khảo sát thị trờng linh kiện việc có đợc chip 8051 là dễ dàng nên mở ra khả năng thiết kế thực tế.

Vì những lý do trên mà việc lựa chọn vi điều khiển AT89C51 của hãng Atmel, đây là vi điều khiển thuộc họ MCS-51.

Cấu hình hoạt động của chip AT89C51: -ROM trong: Flash ROM - 4KBytes -RAM trong: 128 bytes

I.2 Tổ chức ngoại vi:

- Chip: AT89C51

- Ghép nối màn hình LCD: 16x2 Ngoài ra còn:

- LED báo hiệu chơng trình đang chạy

- Tín hiệu cho phép chạy đợc xử lý bằng cách dùng một nút ấn Reset hệ thống.

- Tín hiệu báo động, mở cửa, đóng cửa đợc đa ra led

Sơ đồ khối của hệ thống nh sau:

II Vi điều khiển AT89C51:

Chức năng của từng khối :

 Khối xử lý trung tâm CPU:

Phần chính của bộ vi xử lý là khối xử lý trung tâm (CPU=Central Processing Unit ), khối này có chứa các thành phần chính :

Thanh chứa ACC (ký hiệu là A).

Thanh ghi chứa phụ (ký hiệu là B) thờng đợc dùng cho phép nhân và phép chia.

Khối logic số học (ALU=Arithmetic Logical Unit) Từ trạng thái chơng trình (PSW= Program Status Word) Bốn băng thanh ghi (Blank).

Con trỏ ngăn xếp (SP=Stack Point) cũng nh con trỏ dữ liệu để định địa chỉ cho bộ nhớ dữ liệu ở bên ngoài.

Ngoài ra, khối xử lý trung tâm còn chứa:

Thanh ghi đếm chơng trình (PC= Progam Counter ) Bộ giải mã lệnh

Bộ điều khiển thời gian và logic.

Sau khi đợc Reset, CPU bắt đầu làm việc tại địa chỉ 0000h, là địa chỉ đầu đợc ghi trong thanh ghi chứa chơng trình (PC) và sau đó, thanh ghi này sẽ tăng lên 1 đơn vị và chỉ đến các lệnh tiếp theo của chơng trình.

 Bộ tạo dao động:

Khối xử lý trung tâm nhận trực tiếp xung nhịp từ bộ tạo dao động đợc lắp thêm vào, linh kiện phụ trợ có thể là một khung dao động làm bằng tụ gốm hoặc thạch anh Ngoài ra, còn có thể đa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài vào.

 Khối điều khiển ngắt:

Chơng trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối logic ngắt ở bên trong Các nguồn ngắt có thể là: các biến cố ở bên ngoài, sự tràn bộ đếm/ bộ định thời hay có thể là giao diện nối tiếp Tất cả các ngắt đều có thể đợc thiết lập chế độ làm việc thông qua hai thanh ghi IE (Interrupt Enable) và IP (Interrupt Priority).

 Khối điều khiển và quản lý Bus :

Các khối trong vi điều khiển liên lạc với nhau thông qua hệ thống Bus nội bộ đợc điều khiển bởi khối điều khiển quản lý Bus.

 Các bộ đếm/định thời:

Vi điều khiển 8051 có chứa hai bộ đếm tiến 16 bit có thể hoạt động nh là bộ định thời hay bộ đếm sự kiện bên ngoài hoặc nh bộ phát tốc độ Baud dùng cho giao diện nối tiếp Trạng thái tràn bộ đếm có thể đợc kiểm tra trực tiếp hoặc đợc xoá đi bằng một ngắt.

 Các cổng vào/ra:

Vi điều khiển 8051 có bốn cổng vào/ra (P0 … mà P3), mỗi cổng chứa 8 bit, độc lập với nhau Các cổng này có thể đợc sử dụng cho những mục đích điều khiển rất đa dạng Ngoài chức năng chung, một số cổng còn đảm nhận thêm một số chức năng đặc biệt khác.

 Giao diện nối tiếp:

Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng bộ làm việc độc lập với nhau Bằng cách đấu nối các bộ đệm thích hợp, ta có thể hình thành một cổng nối tiếp RS-232 đơn giản Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt đợc trong một vùng rộng phụ thuộc vào một bộ định thời và tần số dao động riêng của thạch anh.

 Bộ nhớ ch ơng trình:

Bộ nhớ chơng trình thờng là bộ nhớ ROM (Read Only Memory), bộ nhớ chơng trình đợc sử dụng để cất giữ chơng trình điều khiển hoạt động của vi điều khiển

 Bộ nhớ số liệu :

Bộ nhớ số liệu thờng là bộ nhớ RAM (Ramdom Acces Memory), bộ nhớ số liệu dùng để cất giữ các thông tin tạm thời trong quá trình vi điều khiển làm việc

 Sự sắp xếp chân ra của vi điều khiển 8051 :

Phần lớn các bộ vi điều khiển 8051 đợc đóng vào vỏ theo kiểu hai hàng DIL (Dual In Line) với tổng số là 40 chân ra, một số ít còn lại đợc đóng vỏ theo kiểu hình vuông PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) với 44 chân và loại này thờng đợc dùng cho những hệ thống cần thiết phải tiết kiệm diện tích.

Trong chơng trình ta sử dụng loại 89C51 kiểu 2 hàng với 40 chân ra.

III Chi tiết từng khối:III.1 Khối phím số:

Hệ thống sử dụng bàn phím 4x4 có giao diện nh sau:

9

Sơ đồ nguyên lý của bàn phím theo hình vẽ sau:

Nguyên lý hoạt động bàn phím:

Khi một phím đợc nhấn sẽ làm thông 2 transistor và cho đầu ra của phím đó từ +5V về 0V tức là từ mức lôgic 1 về mức lôgic 0 Sau đó ta đ a tín hiệu ra qua hệ thống cổng NAND xử lí xung từ bàn phím vào P3.10.

Ta giải mã bàn phím đợc tín hiệu có 8 bít khi nhấn bàn phím ta lấy luôn tín hiệu này đa vào Port2 của VĐK.Trong vi điều khiển ta lập trình nạp mã số dạng 8 bit nh bàn phím mã hoá đợc vào lần lợt sáu thanh ghi trong ROM Ta đem so sánh mã bàn phím nhấn với mã đợc nạp Để mở rộng ta có

III.2 Khối xử lý trung tâm:

Nhiệm vụ của khối xử lý trung tâm:

 Đọc mã phím từ bàn phím để kiểm tra xem phím nào đã đợc ấn và thực hiện chức năng của phím đó.

 Lu giá trị của các mã để mở khóa.

 Lu các chơng trình xử lý phím ấn: mở khóa, đổi mã, báo động… mà

 Lu chơng trình điều khiển LCD Chức năng của các chân của VĐK trung tâm:

-Vcc: Chân cung cấp nguồn -GND: Chân nối đất.

-Port1:dùng làm bus dữ liệu 8 bit tới 8 chân dữ liệu của LCD -Port 2:dùng để nhận dữ liệu đầu vào của mã bàn phím -Port 3:

Chân 3.6 nối với chân 4 RS của LCD Chân 3.4 nối với chân 6 E của LCD Chân 3.5 nối với chân 4 RW của LCD

Chân 3.5 nối với khối tạo tiếng bíp khi có một phím đựơc nhấn -Chân số 9 nối với mạch reset, hoạt động ở mức High(1).

-Chân số 18,19:nối với bộ dao động thạch anh,tụ 33p để tạo dao động cho vi AT89C51.

XTAL1, XTAL2 là bộ tạo tín hiệu giữ nhịp với tần số đợc xác định bởi bộ cộng hởng thạch anh đợc lắp thêm vào, tần số này xác định tốc độ làm của bộ vi điều khiển Thông thờng các lệnh đợc thực hiện bằng 1/12 tần số dao động của thạch anh.

-Chân số 20: Vss nối đất

-Chân số 31: EA Đóng vai trò quyết định xem vi điều khiển làm việc với chơng trình bên trong hay bên ngoài Với loại 8051 không có ROM trong thì chân này phải đợc nối với mát Loại thông thờng có thể làm việc tuỳ theo cách lựa chọn giữa ROM trong hay ROM ngoài, khi đang ở chế độ làm việc với bộ nhớ ROM trong, loại có chứa bộ nhớ ROM có thể truy nhập tự động lên bộ nhớ chơng trình bên ngoài Trong mạch ta nối lên nguồn vì không sử dụng ROM bên ngoài

III.3 Khối hiển thị LCD:

Với các u điểm nh: tiêu thụ dòng thấp, hiển thị đợc hình ảnh/ký tự linh hoạt tốt hơn nhiều so với LED ,màn hình tinh thể lỏng LCD (Liquid Crystal Display) đợc sử dụng trong hầu hết các thiết bị điều khiển trong công nghiệp để hiển thị trạng thái của máy móc Ngày nay với công nghệ phát triển giá thành của LCD cũng giảm nhiều.

Do có rất nhiều chủng loại khác nhau, nên LCD đợc sử dụng rất rộng rãi Tất cả các LCD đều đợc sản xuất theo các chuẩn chung, tích hợp luôn các module điều khiển (cho LCD) nên việc sử dụng nó không mấy phức tạp Bộ điều khiển LCD cung cấp một tập lệnh dùng để diều khiển LCD.

Trong ứng dụng cụ thể này, do không yêu cầu hiển thị phức tạp nên em chọn loại LCD kiểu ký tự, với 16 ký tự, 2 hàng (16characters x 2lines) LCD sử dụng ma trận chữ 5x8 (font 5x8), module điều khiển là HD44780.

H: chọn thanh ghi vào dữ liệu L: chọn thanh ghi cho lờnh điều

H: cho biết đọc từ LCD vào VXL.L: cho biết đọc từ VXL vào LCD.

6 E P3.5 xung L-H-Lt ớn hiệu cho phộp LCD hoạt động.

13 DB6P1.6H/LBit dữ liệu 6

Điều khiển hoạt động của LCD:

Hoạt động của LCD đợc điều khiển thông qua 3 tín hiệu E, RS, RW -Tín hiệu E là tín hiệu cho phép gửi dữ liệu Để gửi dữ liệu đến LCD, chơng trình phải thiết lập E=1, sau đó đặt các trạng thái điều khiển thích hợp lên RS, RW và bus dữ liệu, cuối cùng là đa E về 0 Hoạt động chuyển đổi từ cao-xuống-thấp cho phép LCD nhận dữ liệu hiện thời trên các đờng điều khiển cũng nh trên bus dữ liệu và xem đó nh là một lệnh.

-Tín hiệu RS là tín hiệu cho phép chọn thanh ghi (Register Select ) Khi RS=0, dữ liệu đợc coi nh là một lệnh hay một chỉ thị đặc biệt (nh là xóa màn hình, đặt vị trí con trỏ… mà) Khi RS=1, dữ liệu đợc coi là dữ liệu dạng văn bản và sẽ đợc hiển thị trên màn hình.

-Tín hiệu RW là tín hiệu “Đọc/Ghi” Khi RW=1, thông tin trên bus dữ liệu đợc ghi vào LCD Khi RW=0, chơng trình sẽ đọc LCD.

-Bus dữ liệu gồm 4 hoặc 8 đờng tùy thuộc vào chế độ hoạt động mà ngời sử dụng lựa chọn (ở đây chơng trình sử dụng bus dữ liệu 8-bít)

Mã lệnh điều khiển của LCD:

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

HexClear Display 0000000101

Display & Cursor Home 0000001X02 or 03

Chacractor Entry Mode 000001I/D S04 to 07

Display On/Off & Cursor 00001DUB08 to 0F

Display/Cursor Shift 0001D/C R/L XX10 to1F

Funtion Set 0018/4 2/1 10/7 XX20 to 3F

Set Ggram Address 01AAAAAA40 to 7F

Set Display Address 1AAAAAAA80 to FF