Đồ án vi điều khiển đồng hồ thời gian thực DS1307

Nếu đơn vị Chủ muốn truyền thông với đơn vị khác nó sẽ gửi kèm thông tin địa chỉ của đơn vị mà nó muốn truyền trong dữ liệu truyền.. Sau đó đơn vị Chủ sẽ truyền đi dữ liệu 7 bit chứa địa

Update đồ án vi điều khiển đồng hồ thời gian thực DS1307

I, Nói qua về chuẩn giao tiếp I2c

Giao thức ưu tiên truyền thông nối tiếp được phát triển bởi Philips

Semiconductor và được gọi là bus I2C Vì nguồn gốc nó được thiết kế là để điều khiển liên thông IC (Inter-Intergrated Circuit) nên nó được đặt tên là I2C Tất cả các chip có tích hợp và tương thích với I2C đều có thêm một giao diện tích hợp trên Chip để truyền thông trực tiếp với các thiết bị tương thích I2C khác Việc truyền dữ liệu nối tiếp theo hai hướng 8 bit được thực thi theo 3 chế độ sau: Chuẩn (Standard)—100 Kbits/sec Nhanh (Fast)—400 Kbits/sec Tốc độ cao (Highspeed)—3.4 Mbits/sec Đường bus thực hiện truyền thông nối tiếp I2C gồm hai

đường là đường truyền dữ liệu nối tiếp SDA và đường truyền nhịp xung đồng hồ nối tiếp SCL Vì cơ chế hoạt động là đồng bộ nên nó cần có một nhịp xung tín hiệu đồng bộ Các thiết bị hỗ trợ I2C đều có một địa chỉ định nghĩa trước, trong

đó một số bit địa chỉ là thấp có thể cấu hình Đơn vị hoặc thiết bị khởi tạo quá trình truyền thông là đơn vị Chủ và cũng là đơn vị tạo xung nhịp đồng bộ, điều khiển cho phép kết thúc quá trình truyền Nếu đơn vị Chủ muốn truyền thông với đơn vị khác nó sẽ gửi kèm thông tin địa chỉ của đơn vị mà nó muốn truyền trong

dữ liệu truyền Đơn vị Tớ đều được gán và đánh địa chỉ thông qua đó đơn vị Chủ

có thể thiết lập truyền thông và trao đổi dữ liệu Bus dữ liệu được thiết kế để cho phép thực hiện nhiều đơn vị Chủ và Tớ ở trên cùng Bus Quá trình truyền thông I2C được bắt đầu bằng tín hiệu start tạo ra bởi đơn vị Chủ Sau đó đơn vị Chủ

sẽ truyền đi dữ liệu 7 bit chứa địa chỉ của đơn vị Tớ mà nó muốn truyền thông, theo thứ tự là các bit có trọng số lớn nhất MSB sẽ được truyền trước Bit thứ támtiếp theo sẽ chứa thông tin để xác định đơn vị Tớ sẽ thực hiện vai trò nhận (0) hay gửi (1) dữ liệu Tiếp theo sẽ là một bit ACK xác nhận bởi đơn vị nhận đã nhận được 1 byte trước đó hay không Đơn vị truyền (gửi) sẽ truyền đi 1 byte dữliệu bắt đầu bởi MSB Tại điểm cuối của byte truyền, đơn vị nhận sẽ tạo ra một bit xác nhận ACK mới Khuôn mẫu 9 bit này (gồm 8 bit dữ liệu và 1 bit xác nhận)

sẽ được lặp lại nếu cần truyền tiếp byte nữa Khi đơn vị Chủ đã trao đổi xong dữ liệu cần nó sẽ quan sát bit xác nhận ACK cuối cùng rồi sau đó sẽ tạo ra một tín hiệu dừng STOP để kết thúc quá trình truyền thông I2C là một giao diện truyền thông đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng truyền thông giữa các đơn vị trên cùng một bo mạch với khoảng cách ngắn và tốc độ thấp Ví dụ như truyền thông giữa CPU với các khối chức năng trên cùng một bo mạch như EEPROM, cảm biến, đồng hồ tạo thời gian thực… Hầu hết các thiết bị hỗ trợ I2C hoạt động ở tốc độ 400Kbps, một số cho phép hoạt động ở tốc độ cao vài Mbps I2C khá đơngiản để thực thi kết nối nhiều đơn vị vì nó hỗ trợ cơ chế xác định địa chỉ

II, Sơ lược về chip thời gian thực Ds1307

DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC : Real-time clock), khái niệm thời gian thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người đang

sử dụng, tình bằng giây, phút, giờ… DS1307 là một sản phẩm của Dallas

Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products) Chip này có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm Ngoài ra DS1307 còn có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống có thể dùng như RAM DS1307 xuất hiện ở 2 gói SOIC và DIP có 8 chân

Các chân của DS1307 được mô tả như sau: • X1 và X2: là 2 ngõ kết nối với 1 thạch anh 32.768KHz làm nguồn tạo dao động cho chip • VBAT: cực dương của một nguồn pin 3V nuôi chip • GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc • Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thường là 5V và dùng chung với vi điều khiển Chú ý là nếu Vcc không được cấp nguồn nhưng VBAT được cấp thì DS1307 vẫnđang hoạt động (nhưng không ghi và đọc được) • SQW/OUT: một ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver), tần số của xung được tạo có thể được lập trình Như vậy chân này hầu như không liên quan đến chức năng của DS1307 là đồng hồ thời gian thực, chúng ta sẽ bỏ trống chân này khi nối mạch •SCL và SDA là 2 đường giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C • Có thể kếtnối DS1307 bằng một mạch điện đơn giản như sau:

Cấu tạo bên trong DS1307 bao gồm một số thành phần như mạch nguồn, mạch dao động, mạch điều khiển logic, mạch giao diện I2C, con trỏ địa chỉ và các thanh ghi (hay RAM) Sử dụng DS1307 chủ yếu là ghi và đọc các thanh ghi của chip này Vì thế có 2 vấn đề cơ bản đó là cấu trúc các thanh ghi và cách truy xuấtcác thanh ghi này thông qua giao diện I2C Như đã trình bày, bộ nhớ DS1307 có tất cả 64 thanh ghi 8-bit được đánh địa chỉ từ 0 đến 63 (từ 00H đến 3FH theo hệ HexaDecimal) Tuy nhiên, thực chất chỉ có 8 thanh ghi đầu là dùng cho chức năng “đồng hồ” (RTC) còn lại 56 thanh ghi bỏ trống có thể được dùng chứa biến tạm như RAM nếu muốn Bảy thanh ghi đầu tiên chứa thông tin về thời gian của đồng hồ bao gồm: giây (SECONDS), phút (MINUETS), giờ (HOURS), thứ (DAY),ngày (DATE), tháng (MONTH) và năm (YEAR) Việc ghi giá trị vào 7 thanh ghi này tương đương với việc “cài đặt” thời gian khởi động cho RTC Việc đọc giá trị

từ 7 thanh ghi là đọc thời gian thực mà chip tạo ra Ví dụ, lúc khởi động chương trình, chúng ta ghi vào thanh ghi “giây” giá trị 42, sau đó 12s chúng ta đọc thanh ghi này, chúng ta thu được giá trị 54 Thanh ghi thứ 8 (CONTROL) là thanh ghi điều khiển xung ngõ ra SQW/OUT (chân 6) Tuy nhiên, do chúng ta không dùng chân SQW/OUT nên có thề bỏ qua thanh ghi thứ 8 Tổ chức bộ nhớ của DS1307được trình bày trong hình 3 Vì 7 thanh ghi đầu tiên là quan trọng nhất trong hoạtđộng của DS1307, chúng ta sẽ khảo sát các thanh ghi này một cách chi tiết Trước hết hãy quan sát tổ chức theo từng bit của các thanh ghi này như trong hình

Tổ chức các thanh ghi thời gian Thanh ghi giây (SECONDS): thanh ghi này là thanh ghi đầu tiên trong bộ nhớ của DS1307, địa chỉ của nó là 0×00 Bốn bit thấpcủa thanh ghi này chứa mã BCD 4-bit của chữ số hàng đơn vị của giá trị giây Dogiá trị cao nhất của chữ số hàng chục là 5 (không có giây 60) nên chỉ cần 3 bit (các bit SECONDS 6:4) là có thể mã hóa được (số 5 =101, 3 bit) Bit cao nhất, bit 7, trong thanh ghi này là 1 điều khiển có tên CH (Clock halt – treo đồng hồ), nếu bit này được set bằng 1 bộ dao động trong chip bị vô hiệu hóa, đồng hồ không hoạt động Vì vậy, nhất thiết phải reset bit này xuống 0 ngay từ đầu

Thanh ghi phút (MINUTES): có địa chỉ 01H, chứa giá trị phút của đồng hồ

Tương tự thanh ghi SECONDS, chỉ có 7 bit của thanh ghi này được dùng lưu mãBCD của phút, bit 7 luôn luôn bằng 0 Thanh ghi giờ (HOURS): có thể nói đây là thanh ghi phức tạp nhất trong DS1307 Thanh ghi này có địa chỉ 02H Trước hết 4-bits thấp của thanh ghi này được dùng cho chữ số hàng đơn vị của giờ Do DS1307 hỗ trợ 2 loại hệ thống hiển thị giờ (gọi là mode) là 12h (1h đến 12h) và 24h (1h đến 24h) giờ, bit6 (hình 4) xác lập hệ thống giờ Nếu bit6=0 thì hệ thống 24h được chọn, khi đó 2 bit cao 5 và 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giá trị giờ Do giá trị lớn nhất của chữ số hàng chục trong trường hợp này là 2 (=10, nhị phân) nên 2 bit 5 và 4 là đủ để mã hóa Nếu bit6=1 thì hệ thống 12h được chọn, với trường hợp này chỉ có bit 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giờ, bit

5 (màu orange trong hình 4) chỉ buổi trong ngày, AM hoặc PM Bit5 =0 là AM và bit5=1 là PM Bit 7 luôn bằng 0 Thanh ghi thứ (DAY – ngày trong tuần): nằm ở

địa chỉ 03H Thanh ghi DAY chỉ mang giá trị từ 1 đến 7 tương ứng từ Chủ nhật đến thứ 7 trong 1 tuần Vì thế, chỉ có 3 bit thấp trong thanh ghi này có nghĩa Cácthanh ghi còn lại có cấu trúc tương tự, DATE chứa ngày trong tháng (1 đến 31), MONTH chứa tháng (1 đến 12) vàYEAR chứa năm (00 đến 99) Chú ý, DS1307 chỉ dùng cho 100 năm, nên giá trị năm chỉ có 2 chữ số, phần đầu của năm do người dùng tự thêm vào (ví dụ 20xx) Ngoài các thanh ghi trong bộ nhớ, DS1307còn có một thanh ghi khác nằm riêng gọi là con trỏ địa chỉ hay thanh ghi địa chỉ (Address Register) Giá trị của thanh ghi này là địa chỉ của thanh ghi trong bộ nhớ mà người dùng muốn truy cập.

III,AT89S52: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ SƠ ĐỒ CHÂN

Vi điều khiển 8051 được Intel cho ra đời vào năm 1980 thuộc vi điều khiển đầu tiên của họ MCS-51 Hiện tại rất nhiều nhà sản xuất như Siemens, Advanced Micro Devices, Fusisu và Philips tập trung phát triển các sản phẩm trên cơ sở 8051.Atmel là hãng đã cho ra đời các chip 89C51, 52, 55 và sau đó cải tiến thêm, hãng cho ra đời 89S51, 89S52, 89S8252… Cấu hình 89S52: + 8KB bộ nhớ chương trình + Dao động bên ngoài với thạch anh

Về cơ bản thì các chip nêu trên giống nhau, chỉ có một số tính năng được cải tiến thêm Các phiên bản về sau càng có nhiều khối tính năng đặc biệt hơn Chúng ta xem bảng so sánh một số loại phổ biến như dưới đây.

Chức năng các chân 89S52 • P0,1,2,3 có chức năng cơ bản xuất/nhập • Riêng P0, P2 còn có chức năng kết nối bộ nhớ mở rộng, sẽ được khảo sát trong phần

mở rộng bộ nhớ • P1: Chân T2 và T2EX dùng cho timer/ counter 2 Hai chức năng này sẽ khảo sát trong phần Timer Chân SS\, MOSI, MISO, SCK truyền dữ liệu theo chuẫn SPI đồng thời có chức năng kết nối với mạch nạp chương trình Xem hình

Mạch nạp :

Chân ALE, PSEN, WR\, RD\ dùng để kết nối bộ nhớ mở rộng • Chân EA\ có chức năng chọn bộ nhớ chương trình: EA\=GND: Chọn bộ nhớ ngoại, EA\=VCC chọn bộ nhớ nội • Chân Xtal1 và Xtal2 gắn với thạch anh

IV, THUẬT TOÁN GIAO TIẾP I2C VỚI VI ĐIỀU KHIỂN 89S52

Điều kiện START and STOP START và STOP là những điều kiện bắt buộc phải

có khi một thiết bị chủ muốn thiết lập giao tiếp với một thiết bị nào đó trong mạng

I2C START là điều kiện khởi đầu, báo hiệu bắt đầu của giao tiếp, còn STOP báohiệu kết thúc một giao tiếp Hình 11 mô tả điều kiện START và điều kiện STOP khi giao tiếp I2C giữa DS1307 với Vi Điều Khiển.

Ban đầu khi chưa thực hiện quá trình giao tiếp, cả hai đường SDA và SCL đều ởmức cao (SDA = SCL = HIGH) Lúc này bus I2C được coi là “rỗi” (“bus free”), sẵn sàng cho một giao tiếp Hai điều kiện START và STOP là không thể thiếu trong việc giao tiếp giữa các thiết bị I2C, tất nhiên là trong giao tiếp này cũng không ngoại lệ • Điều kiện START: một sự chuyển đổi trạng thái từ cao xuống thấp trên đường SDA trong khi đường SCL đang ở mức cao (cao = 1; thấp = 0) báo hiệu một điều kiện START • Điều kiện STOP: Một sự chuyển đổi trạng thái

từ mức thấp lên cao trên đường SDA trong khi đường SCL đang ở mức cao •

Cả hai điều kiện START và STOPđều được tạo ra bởi thiết bị chủ Sau tín hiệu START, bus I2C coi như đang trong trạng thái làm việc (busy) Bus I2C sẽ rỗi, sẵn sàng cho một giao tiếp mới sau tín hiệu STOP từ phía thiết bị chủ • Sau khi

có một điều kiện START, trong qua trình giao tiếp, khi có một tín hiệu START được lặp lại thay vì một tín hiệu STOP thì bus I2C vẫn tiếp tục trong trạng thái bận Tín hiệu START và lặp lại START đều có chức năng giống nhau là khởi tạo một giao tiếp

Chế độ hoạt động

Chế độ hoạt động của I2C DS1307 có thể hoạt động ở 2 chế độ sau: • Ở chế độ slave nhận (chế độ DS1307 ghi ): chuỗi dữ liệu và chuỗi xung clock sẽ được nhận thông qua SDA và SCL Sau mỗi byte được nhận thì 1 bit ACKnowledge sẽđược truyền Các điều kiện START và STOP sẽ được nhận dạng khi bắt đầu và kết thúc 1 truyền 1 chuỗi, nhận dạng địa chỉ được thực hiện bởi phần cứng sau khi chấp nhận địa chỉ của slave và bit một chiều • Chế độ slave phát ( chế độ DS1307 đọc ): byte đầu tiên slave nhận được tương tự như chế độ slave ghi Tuy nhiên trong chế độ này thì bit chiều lại chỉ chiều chuyền ngược lại Chuỗi dữ liệu được phat đi trên SDA bởi DS1307 trong khi chuỗi xung clock vào chân SCL

Để làm việc với DS1307, ta thực hiện các bước như sau: • START I2C • Ghi: 0DxH (Đây là địa chỉ của DS1307 do nhà sản xuất quy định trong giao tiếp I2C) với: x=0: Ghi dữ liệu vào DS1307 x=1: Đọc dữ liệu vào DS1307 • Ghi tham số x này vào, có nghĩa là việc tiếp theo là chúng tag hi hay đọc dữ liệu từ con

DS1307 tùy vào giá trị x=0 (ghi dữ liệu) hay x=1 (đọc dữ liệu) • Ghi vào địa chỉ thanh ghi cần ghi hoặc cần đọc (bảng đồ thanh ghi của DS1307 này đã được giớthiệu ở hình 3 & hình 4) • Ghi hoặc đọc dữ liệu • STOP I2C

Một ví dụ minh họa cho việc đọc ghi • Thanh ghi có địa chỉ 01H chứa Data về

“phút”, muốn set phút vào DS1307 chúng ta làm theo quy trình: START→Ghi: 0D0H→Ghi tiếp: 01H→Ghi tiếp:→Ghi tiếp hoặc STOP nếu chỉ muốn cài đặt thời gian cho phút

Nếu muốn Ghi vào địa chỉ 01H rồi kế tiếp Ghi vào địa chỉ 04H chẳng hạn thì chúng ta phải START lại từ đầu→Ghi vào 0D0H (để xác định sẽ Ghi vào DS1307_ hướng giao tiếp là Ghi vào) →Ghi tiếp 04H→Ghi dữ liệu của thanh ghi cần cài đặt→STOP I2C • Tương tự, nếu chúng ta muốn đọc thì trước hết chúng ta phải ghi vào địa chỉ cần đọc: tức là vẫn tiếp tục tiến hành 3 thủ tục START→Ghi 0D0H→Ghi vào địa chỉ (địa chỉ của thanh ghi mà ta muốn đọc dữ liệu) Sau đó, mới START lại rồi ghi lại 0D1H (lúc này mới thông báo là ta sẽ đọc từ DS1307), tiếp theo cứ đọc bình thường (thanh ghi đọc được sẽ là thanh ghi có địa chỉ ta mới vừa ghi vào), tiếp tục đọc thì địa chỉ cần đọc sẽ tự động tăng lên cho đến khiSTOP I2C.

V, SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA MẠCH ĐỒNG HỒ

Dựa vào sơ đồ khối của giao tiếp trên, điều cơ bản là chúng ta phải viết một phần mềm khởi tạo DS1307, thực ra là chương trình giao tiếp I2C, đọc giá trị trong Ram của con DS1307 lưu tạm thời vào trong Ram của 89S52 Sau đó, viếtthêm một phần mềm để đọc nội dung trong Ram này đưa ra hiển thị bằng

phương pháp quét Để đơn giản, việc đọc dữ liệu từ DS1307 lưu vào trong Ram của 89S52 và hiển thị giờ_phút_giây, được chia ra làm 2 chương trình con nhỏ, nếu có phím nhấn thì sẽ nhảy đến chương trình con xử lý phím nhấn riêng.

Sơ đồ nguyên lý:

Sơ đồ mạch in:

VI,THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Như đã trình bày trong phần thuật toán gaio tiếp và sơ đồ khối tổng quát, thì chương trình MAIN của chúng ta sẽ gồm 3 mục chính được mô tả cụ thể trong lưu đồ của chương trình MAIN ỏ hình

Giải thích lưu đồ chính này: Bắt đầu, chương trình sẽ gọi chương trình con đọc

dữ liệu từ con DS1307 với chuẩn giao tiếp I2C bằng phương pháp đã được trìnhbày cụ thể ở mục 4 (thuật toán giao tiếp), sau đó, sẽ gọi chương trình con để quét Led 7 đoạn hiện thị 6 số: 2 số hiển thị giá trị của Giờ, 2 số hiển thị giá trị củaPhút, 2 số hiển thị giá trị của Giây Nếu phím MODE (chọn chế độ cài đặt) không được nhấn thì vòng lặp của chương trình này sẽ chạy vô tận Nếu phím MODE được nhấn, nó sẽ nhảy tới chương trình con cài đặt giờ hay phút còn tùy thuộc vào số lần nhấn phím MODE Sau đây ta đi vào chi tiết của tùng khối nhỏ:

ĐỌC DỮ LIỆU TỪ DS1307 LƯU VÀO TRONG RAM CỦA 89S52 Xem lưu đồ chương trình như hình dưới Ở đây, các chương trình con nhỏ hơn, chẳng hạn như: CTC SEND_START, SEND_STOP, SEND_BYTE, v.v đã được đề cập đến trong mục 4 (thuật toán giao tiếp đã được đề cập ở trên)

VII, HIỂN THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LED 7 ĐOẠN

VIII, CÀI ĐẶT THỜI GIAN

Trong lưu đồ giải thuật trên hình

trên[img]http://files.myopera.com/PeterLeDucAn/blog/mach-dong-ho-dung-hinh

%2021.JPG[/img], cho chúng ta thấy, vòng lặp của chương trình sẽ chạy vô tận cho đến khi có phím MODE được ấn xuống Khi đó, nó nhảy đến CTC để giải quyết việc cài đặt thời gian Lưu đồ giải thuật của CTC xử lý cài đặt phím được thể hiện ở hình