Thiết kế mô hình đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng vi điều khiển AT89C51

Đồ án tốt nghiệp: Mạch đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng AT89C51 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Thiết kế mô hình đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng vi điều khiển AT89C51 Sinh viên thực hiện : Lê Thanh Hải Lớp : 48K - ĐTVT Giảng viên hướng dẫn : Th.S Đặng Thái Sơn NGHỆ AN, 12/2011 Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Hải Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đặng Thái Sơn 1 Đồ án tốt nghiệp: Mạch đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng AT89C51 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại Học Vinh đã cho em một môi trường học tập tốt, cũng như là tạo nhiều điều kiện thuận lợi để em có thể phát huy được khả năng của mình. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông đã giảng dạy cho chúng em những kiến thức về chuyên môn, định hướng sự hiểu biết cũng như khả năng để chúng em thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn tất khóa học. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo KS. Đặng Thái Sơn đã tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đề tài này! Vinh, ngày tháng năm 2011 Sinh viên thực hiện Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Hải Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đặng Thái Sơn 2 Đồ án tốt nghiệp: Mạch đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng AT89C51 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 2 MỤC LỤC .3 CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU .5 I. Mục tiêu thiết kế .5 1.1 Lý do chọn đề tài .5 1.2 Mục tiêu thiết kế 6 1.3 Vấn đề cần giải quyết 6 II. Mô tả tổng quan về thiết kế: .6 2.1 Các chức năng chính .6 2.2 Mô tả phần cứng: .7 2.3 Mô tả phần mềm: .7 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .8 I. VI ĐIỀU KHIỂN AT89C51 .8 1.1 Lịch sử phát triển của vi điều khiển 8051 .8 1.2 Kiến trúc chung họ vi điều khiển 8051 .8 1.3 Vi điều khiển AT89C51 của ATMEL .9 1.3.1 Các đặc trưng của AT89C51 9 1.3.2 Sơ đồ và chức năng các chân của AT89C51 10 a. Các cổng xuất nhập 11 b. Các ngõ tín hiệu điều khiển .12 1.4 Cấu trúc bên trong của AT89C51 14 1.4.1 Bộ nhớ chương trình ROM .14 1.4.2 Bộ nhớ dữ liệu RAM 15 1.5 Các thanh ghi có chức năng đặc biệt (SFR- Special Function Register) .16 1.5.1 Thanh ghi trạng thái chương trình (PSW - Program Status Word) 17 1.5.2 Thanh ghi chứa ACC 18 1.5.3 Thanh ghi B 18 1.5.4 Con trỏ Ngăn xếp SP (Stack Pointer): 19 1.5.5 Con trỏ dữ liệu DPTR (Data Pointer): 19 1.5.6 Các thanh ghi Port (Port Register): 20 1.5.7 Các thanh ghi Timer (Timer Register): 20 1.5.8 Các thanh ghi Port nối tiếp (Serial Port Register): .20 1.5.9 Các thanh ghi ngắt (Interrupt Register): .20 1.5.10 Thanh ghi điều khiển nguồn PCON (Power Control Register): .20 1.6. Các hoạt động chức năng chính trong AT89C51 .20 1.6.1 Hoạt động định thời 21 1.6.2 Hoạt động ngắt .21 1.6.3 Hoạt động Reset .22 1.7 Tóm tắt tập lệnh của 8051 .22 Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Hải Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đặng Thái Sơn 3 Đồ án tốt nghiệp: Mạch đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng AT89C51 II. IC thời gian thực DS1307 .23 2.1 Tổng quan về DS1307 .23 2.1.1 Sơ đồ chân DS1307 23 2.1.2 Cấu tạo bên trong DS1307 .24 2.2 Khái quát giao diện I2C 27 2.2.1 Các khái niệm cơ bản trong giao diện I2C .28 2.2.2 Mode (chế độ) truyền dữ liệu giữa DS1307 và AT89S52 31 III. Led 7 đoạn: 33 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ, THI CÔNG 35 I. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG .35 1.1 Sơ đồ khối của thiết bị: 35 1.2 Phân tích và thiết kế: .35 1.2.1 Khối điều khiển trung tâm: .35 1.2.2 Khối thời gian thực DS1307: 36 1.2.3 Khối hiển thị đồng hồ: 37 1.2.4 Khối phím bấm: 37 1.2.5 Khối đèn giao thông: 38 1.3 Thiết kế mạch in: .39 1.3.1 Bo điều khiển: .39 1.3.2 Khối hiển thị đồng hồ và phím bấm .40 1.3.3 Khối hiển thị đèn giao thông 42 II. Lập trình phần mềm điều khiển: .42 2.1 Chương trình chính: .43 2.2 Chương trình con đèn giao thông: .44 2.2 Chương trình con quét phím: .45 2.3 Chương trình giao tiếp I2C 46 KẾT LUẬN .70 Tài liệu tham khảo .71 Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Hải Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đặng Thái Sơn 4 Đồ án tốt nghiệp: Mạch đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng AT89C51 CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU I. Mục tiêu thiết kế. 1.1 Lý do chọn đề tài. Xã hội càng phát triển, nhu cầu tham gia giao thông hằng ngày càng tăng lên cộng với sự bùng nổ của các phương tiện tham gia giao thông khiến tình hình giao thông hiện nay vô cùng phức tạp, đặc biệt là ở các thành phố lớn, ngã tư, ngã sáu… Yêu cầu đặt ra cho ngành giao thông ở các giao lộ này là điều khiển phương tiện qua đó phải trật tự, qui củ và đảm bảo an toàn. Có rất nhiều phương án để giải quyết vấn đề như xây vòng xuyến, đặt các biển báo chỉ dẫn, lắp đặt các đèn tín hiệu giao thông hay các chú công an trực tiếp điều khiển tùy theo mật độ tham gia giao thông tại thời điểm đó. Một trong những giải pháp đơn giản nhất để phân luồng, điều hướng cho các phương tiện tham gia giao thông một cách chính xác và tiết kiệm là đặt các cột đèn tín hiệu điều khiển giao thông. Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ các ứng dụng điện tử ngày càng trở nên phổ biến và là không thể thiếu trong trong các ngành công nghiệp cũng như trong đời sống của con người. Cùng với sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số các hệ thống điều khiển dần dần được tự động hóa. Khi những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lí,vi điều khiển, vi mạch số … đựơc ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lí chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước. Hiện nay các vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật cũng như đời sống xã hội. Hầu hết các thiết bị kỹ thuật từ phức tạp đến đơn giản như thiết bị điều khiển tự động, thiết bị văn phòng cho đến các thiết bị dùng trong gia đình cũng đều có dùng vi điều khiển. Theo cách nhìn để đánh giá một bộ vi điều khiển thì vi điều khiển (hoặc vi xử lý) luôn tỏ ra dễ dàng sử dụng trong các thiết bị điện tử hoặc hệ thống điện tử số. Bằng việc sử dụng vi điều khiển, các sản phẩm cần rất ít chi phí khi nâng cấp, rất ít linh kiện dự trữ cho bảo hành bảo dưỡng. Nói khác đi, vi điều khiển vừa mang lại nhiều lợi nhuận, lại có thêm sức cạnh tranh lớn do chất lượng cao nên nhiều người (cả người dùng cũng như nhà sản xuất) đều tìm đến với các vi điều khiển. Càng được sử dụng rộng rãi, bên cạnh phục vụ cho các ngành sản xuất công nông nghiệp mà còn ứng dụng trong vui chơi giải trí của con người. Trong lĩnh vực điều khiển tự động hiện nay có rất nhiều thiết bị, hệ thống cần được điều khiển hoạt động chính xác theo một thời gian được đặt sẵn, hay Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Hải Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đặng Thái Sơn 5 Đồ án tốt nghiệp: Mạch đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng AT89C51 điều khiển hoạt động trong một khoảng thời gian nào đó. Điều này giúp cho hệ thống tăng sự linh hoạt và độ tin cậy. Vì những lý do trên nên em quyết định chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp của mình là “xây dựng mô hình đèn điều khiển tín hiệu giao thông ở một ngã tư đáp ứng thời gian thực sử dụng vi điều khiển AT89C51” với khả năng lập trình được. Trong thiết kế này em đã sử dụng họ vi điều khiển 8051 là một trong những bộ vi điều khiển 8 bit mạnh và linh hoạt nhất và đã trở thành chuẩn công nghệ cho nhiều họ vi điều khiển được sản xuất sau này. 1.2 Mục tiêu thiết kế Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống đèn giao thông đáp ứng theo thời gian thực chạy ở 2 chế độ giờ bình thường và giờ rỗi. 1.3 Vấn đề cần giải quyết Thiết kế, chế tạo các board mạch thực hiện các chức năng khác nhau. Các board cần thiết gồm: o 4 cột điều khiển tín hiệu đèn cho một ngã tư, mỗi cột bao gồm 2 led 7 đoạn đến lùi thời gian chờ và các led đỏ, vàng, xanh để báo chiều xe được chạy. 2 cột đèn đối diện nhau thì hiển thị giống nhau. o Bộ điều khiển tín hiệu cho cả 4 cột đèn. o Đồng hồ theo thời gian thực và các phím bấm để chỉnh thời gian cho đồng hồ. Tiến hành viết chương trình phần mềm phối hợp hoạt động của các board mạch dưới sự điều khiển của vi điều khiển 8051. Chương trình đươc chia thành các chương trình con thực hiện các chức năng như sau: xử lý bàn phím, điều khiển hiển thị đồng hồ, báo đèn ở 4 cột tín hiệu. - Sau khi đã hoàn tất các công việc trên, tiến hành các công việc hoàn thiện sản phẩm như tạo vỏ, lắp đặt, kiểm tra các tính năng của sản phẩm để có thể đưa sản phẩm vào sử dụng. II. Mô tả tổng quan về thiết kế: 2.1 Các chức năng chính. Chế độ giờ bình thường: từ 5h00 đến 21h59, thời gian các đèn đỏ - vàng – xanh lần lượt là 30 – 5 – 25. Chế độ giờ rỗi: từ 22h00 đến 4h59, đèn led đếm ngược ở 4 cột đều tắt và các đèn báo hiệu chỉ chớp vàng với tần số 1Hz. Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Hải Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đặng Thái Sơn 6 Đồ án tốt nghiệp: Mạch đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng AT89C51 Hiển thị đồng hồ ở khối điều khiển trung tâm. 2.2 Mô tả phần cứng: - Vi điều khiển AT89C51, thạch anh 12MHz - IC thời gian thực DS1307, thạch anh 32,782kHz. - Dùng Led hiển thị thời gian đếm lùi và thời gian thực - Dùng phím để nhập dữ liệu. 2.3 Mô tả phần mềm: - Viết bằng ngôn ngữ C, dùng phần Keil C để biên dịch - Các đầu ra điều khiển sẽ được lập trình tùy theo thiết bị điều khiển - Chương trình quét bàn phím sẽ xác định phím chức năng và gọi hàm xử lý tương ứng như hàm trong giao tiếp I2C, chuyển chế độ, hàm trễ. - Chương trình hiển thị thời gian - Chương hiện thị ở 4 cột đèn tín hiện Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Hải Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đặng Thái Sơn 7 Đồ án tốt nghiệp: Mạch đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng AT89C51 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. I. VI ĐIỀU KHIỂN AT89C51 1.1 Lịch sử phát triển của vi điều khiển 8051 Năm 1981 hãng Intel giới thiệu một số bộ vi điều khiển được gọi là 8051. Bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM trên chíp, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng (đều rộng 8 bit) vào ra tất cả được đặt trên một chíp. Lúc ấy nó được coi là một “hệ thống trên chíp”. 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm. Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dữ liệu 8 bit để cho xử lý. 8051 có tất cả 4 cổng vào - ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit. Mặc dù 8051 có thể có một ROM trên chíp cực đại là 64 K byte, nhưng các nhà sản xuất lúc đó đã cho xuất xưởng chỉ với 4K byte ROM trên chíp. 8051 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kỳ dạng biến thế nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họ phải để mã lại tương thích với 8051. Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chíp khác nhau được bán bởi hơn nửa các nhà sản xuất. Điều này quan trọng là mặc dù có nhiều biến thể khác nhau của 8051 về tốc độ và dung lương nhớ ROM trên chíp, nhưng tất cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu về các lệnh. Điều này có nghĩa là nếu ta viết chương trình của mình cho một phiên bản nào đó thì nó cũng sẽ chạy với mọi phiên bản bất kỳ khác mà không phân biệt nó từ hãng sản xuất nào. 1.2 Kiến trúc chung họ vi điều khiển 8051 Bộ vi điều khiển 8051có kiến trúc Harvard là thành viên đầu tiên của họ 8051. Hãng Intel ký hiệu nó là MCS 51. Cấu trúc bên trong và các đặc tính của 8051 như sau. Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Hải Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đặng Thái Sơn 8 Đồ án tốt nghiệp: Mạch đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng AT89C51 Sơ đồ khối của họ vi điều khiển 8051 Đặc tính của vi điều khiển 8051 như sau: Đặc tính Số lượng ROM trên chíp 4K byte RAM 128 byte Bộ định thời 2 Các chân vào ra 32 Nguồn ngắt 6 Cổng nối tiếp 1 Các đặc tính của vi điều khiển 8051 1.3 Vi điều khiển AT89C51 của ATMEL Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51 hoàn toàn tương tự như nhau. ở đây giới thiệu AT89C51 là một bộ vi điều khiển do hãng ATMEL sản xuất với công nghệ CMOS có tốc độ cao vào công suất thấp với bộ nhớ Flash có thể lập trình được. Tương thích với chuẩn công nghiệp của 8051 và 8052 về số chân xuất nhập và tập lệnh. 1.3.1 Các đặc trưng của AT89C51 Các đặc trưng của AT89C51 được tóm tắt như sau: Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Hải Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đặng Thái Sơn 9 Đồ án tốt nghiệp: Mạch đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng AT89C51 - 4K byte ROM bên trong - 128 byte RAM nội - 4 cổng xuất nhập 8 bít - Giao tiếp nối tiếp - 64K byte vùng nhớ mã ngoài - 64K byte vùng nhớ dữ liệu ngoài - Xử lý boolean - 210 vị trí nhớ có thể định vị bít - 4µs cho hoạt động nhân hoặc chia 1.3.2 Sơ đồ và chức năng các chân của AT89C51 Mặc dù các thành viên của họ 8051(ví dụ 8751, 89S52, 89C51, DS5000) đều có các kiểu đóng vỏ khác nhau, chẳng hạn như hai hàng chân DIP (Dual In- Line Pakage), dạng vỏ dẹt vuông QPF (Quad Flat Pakage) và dạng chip không có chân đỡ LLC (Leadless Chip Carrier) thì chúng đều có 40 chân cho các chức năng khác nhau như vào ra I/O, đọc RD , ghi WR , địa chỉ, dữ liệu và ngắt. Cần phải lưu ý một số hãng cung cấp một phiên bản 8051 có 20 chân với số cổng vào ra ít hơn cho các ứng dụng yêu cầu thấp hơn. Tuy nhiên vì hầu hết các nhà phát triển sử dụng chíp đóng vỏ 40 chân với hai hàng chân DIP nên ta chỉ tập trung mô tả phiên bản này. AT89C51 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập. Trong đó có 24 chân có tác dụng kép (có nghĩa là 1 chân có 2 chức năng),mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ liệu và bus địa chỉ. Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Hải Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đặng Thái Sơn 10 . đèn giao thông đáp ứng thời gian thực sử dụng AT89C51 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VI N THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Thiết kế mô hình đèn. dựng mô hình đèn điều khiển tín hiệu giao thông ở một ngã tư đáp ứng thời gian thực sử dụng vi điều khiển AT89C51 với khả năng lập trình được. Trong thiết