Đồ án ỨNG DỤNG DS1307 xây DỰNG hệ THỐNG THỜI GIAN THỰC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ỨNG DỤNG DS1307 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP Sinh viên : Nguyễn Ngọc Trung Giáo viên hƣớng dẫn: Th.S Nguyễn Trọng Thắng Hải Phòng - 2011 MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Giới thiệu hệ thống thời gian thực 1.1.2 Khái niệm hệ thống thời gian thực 1.1.3 Các loại hệ thống thời gian thực 1.2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG CHƢƠNG CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG 2.1 SƠ ĐỒ TỔNG THỂ 2.1.1 Sơ đồ đặc tả khối 2.1.1.1 Khối nguồn 2.1.1.2 Khối Reset 2.1.1.3 Khối điều khiển 2.1.1.4 Khối tạo xung dao động 10 2.1.1.5 Khối hiển thị 10 2.1.1.6 Khối tạo thời gian thực 11 2.2 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP 12 2.2.1 Giải pháp công nghệ 12 2.2.2 Giải pháp thiết kế 13 2.2.2.1 Quy trình Top-down 13 2.2.2.2 Quy trình Bottom-Up 15 2.2.3 Sơ đồ Call graph 17 2.2.4 Các yêu cầu giới hạn cho hệ thống 17 2.2.4.1 Các yêu cầu 17 2.2.4.2.Giới hạn cho hệ thống 17 2.3 LỰA CHỌN TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN 18 2.3.1 IC thời gian thực DS1307 18 2.3.1.1 Giới thiệu chung DS1307 18 2.3.1.2 Cơ chế hoạt động chức DS1307 19 2.3.1.3 Mô tả hoạt động chân 20 2.3.2 Vi Điều Khiển AT89C52 27 2.3.2.1 Cấu tạo chức khối AT89C52 27 2.3.2.2 Chức chân AT89C52 28 2.3.3 Led 29 2.3.3.1 Các khái niệm 29 2.3.3.2 Sơ đồ vị trí led 30 2.3.3.3 Kết nối với vi điều khiển 31 2.3.3.4 Bảng mã Led Anode chung 31 2.3.4 IC giải mã 74HC138 32 2.4 LINH KIỆN KHÁC 33 2.4.1 IC nguồn 7805 33 2.4.2 Tụ điện 34 2.4.3 Điện trở 35 2.4.4 Nút bấm button 35 2.4.5 Pin CMOS 3V 36 2.4.6 Thạch anh 36 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG HIỂN THỊ THỜI GIAN THỰC 38 3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 38 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 38 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị 39 3.1.3 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển 40 3.1.4 Sơ đồ mạch in mạch hiển thị 3.2 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 43 3.2.1 Lƣu đồ thuật toán 43 3.2.2 Lƣu đồ hiển thị thời gian thực lên LED 43 3.2.3 Lƣu đồ chỉnh sửa thời gian 45 3.3 MÃ NGUỒN CHƢƠNG TRÌNH 46 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC 61 LỜI MỞ ĐẦU Ngày việc ứng dụng vi điều khiển, vi xử lý ngày phát triển rộng rãi thâm nhập ngày nhiều vào lĩnh vực kỹ thuật đời sống xã hội Tuy nhiên ứng dụng cho hệ thống nhúng ngày không đơn giản dừng lại điều khiển đèn nhấp nháy, đếm số ngƣời vào/ra, hiển thị dịng thơng báo matrix led hay điều khiển ON-OFF động cơ… mà ngày trở nên phức tạp Với phát triển mạnh mẽ khoa học, đặc biệt ngành điện tử, phát minh linh kiện điện tử ngày đáp ứng đƣợc yêu cầu hệ thống Ƣu điểm việc sử dụng linh kiện điện tử làm cho hệ thống linh hoạt đa dạng hơn, giá thành thấp độ xác cao Sau gần năm học tập nghiên cứu trƣờng, em đƣợc làm quen với môn học chuyên ngành Để áp dụng lý thuyết với thực tế học kỳ em đƣợc giao đồ án tốt nghiệp với tên đề tài “Ứng dụng DS1307 xây dựng hệ thống thời gian thực ” Tuy nhiên kiến thức chuyên mơn cịn hạn chế, tài liệu tham khảo có giới hạn nên cịn xảy nhiều sai sót Em mong thầy, bạn góp ý bổ sung để đồ án em đƣợc hoàn thiện giúp em hiểu biết trình học tập Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Nguyễn Ngọc Trung CHƢƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Giới thiệu hệ thống thời gian thực Trong năm gần đây, hệ thống điều khiển theo thời gian thực lĩnh vực thu hút nhiều ý giới khoa học nghiên cứu khoa học máy tính Trong đó, vấn đề điều hành thời gian thực vấn đề lập lịch đặc biệt quan trọng Một ứng dụng quan trọng hệ thống thời gian thực (RTS) đƣợc ứng dụng rộng rãi dây truyền sản xuất tự động, robot, điều khiển thí nghiệm tự động, thiết kế đồng hồ hiển thị thời gian thực…Thế hệ ứng dụng hệ thống điều khiển robot giống ngƣời, hệ thống kiểm sốt thơng minh nhà máy công nghiệp, điều khiển trạm không gian… 1.1.2 Khái niệm hệ thống thời gian thực Một hệ thống thời gian thực (RTC) hiểu nhƣ mơ hình xử lý mà tính đắn hệ thống khơng phụ thuộc vào kết tính tốn logic mà phụ thuộc vào thời gian kết phát sinh Hệ thống thời gian thực thiết kế nhằm cho phép trả lời lại yếu tố kích thích phát sinh từ thiết bị phần cứng ràng buộc thời gian xác định Ở ta hiểu RTS (real time systems) cách hiểu tiến trình, cơng nghệ thời gian thực Nhìn chung RTS có số cơng việc đƣợc gọi công việc thời gian thực, công việc có mức độ khẩn cấp riêng phải hồn tất Sự thay đổi kiện giới thực xảy nhanh, tiến trình giám sát kiện phải thực việc xử lý khoảng thời gian ràng buộc gọi deadline, khoảng thời gian ràng buộc đƣợc xác định thời gian bắt đầu thời gian hồn tất cơng việc Trong thực tế, yếu tố kích thích xảy thời gian ngắn vào khoảng vài mili giây, thời gian mà hệ thống trả lại yếu tố kích thích tốt vào khoảng dƣới giây, thƣờng vào khoảng vài chục mili giây, khoảng thời gian bao gồm thời gian tiếp nhận kích thích, xử lý thơng tin trả lời kích thích Một yếu tố khác cần quan tâm RTS cơng việc thời gian thực có tuần hồn hay khơng? Cơng việc tuần hồn ràng buộc thời gian ấn định chu kỳ xác định, công việc khơng tuần hồn xảy với ràng buộc thời gian vào lúc bắt đầu kết thúc công việc, ràng buộc đƣợc xác định vào lúc bắt đầu cơng việc Các biến cố kích hoạt cơng việc khơng tuần hoàn thƣờng dựa kỹ thuật xử lý ngắt hệ thống phần cứng Về cấu tạo, RTS thƣờng đƣợc cấu thành từ thành tố sau: -Đồng hồ thời gian thực: Cung cấp thông tin thời gian thực - Bộ điều khiển ngắt: Quản lý biến cố không theo chu kỳ - Bộ định hiểu: Quản lý trình thực - Bộ quản lý tài nguyên: Cung cấp tài nguyên máy tính - Bộ điều khiển thực hiện: Khởi động tiến trình Các thành tố đƣợc phân định thành phần cứng hay phần mềm tùy thuộc vào hệ thống ý nghĩa sử dụng Thông thƣờng RTS đƣợc kết hợp vào phần cứng có khả tốt so với phần mềm có chức tƣơng ứng tránh đƣợc chi phí đắt cho việc tối ƣu hóa phần mềm Ngày chi phí phần cứng ngày rẻ, chọn lựa ƣu tiên phần cứng xu hƣớng chung 1.1.3 Các loại hệ thống thời gian thực Các RTS thƣờng đƣợc phân thành hai loại Hệ thống thời gian thực cứng (Hard reatime system) Hệ thống thời gian thực mềm(Soft reatime system ): Hệ thống thời gian thực cứng hệ thống mà hành động phải khơng vi phạm ràng buộc thời gian có thời hạn lập lịch, hệ thống phải tiếp nhận nắm bắt đƣợc thời hạn lập lịch thời điểm Hệ thống có lỗi sai sót việc tiếp nhận thời hạn gây hậu nghiêm trọng, thiệt hại vật chất, gây ảnh hƣởng sấu đến sức khỏe, đời sống ngƣời, ngƣời Với hệ thống thời gian thực cứng liệu trễ khơng tốt Một ví dụ hệ thống thời gian thực cứng hệ thống kiểm soát không lƣu.Trong hệ thống này, phân phối đƣờng bay, thời gian cất cánh, thời gian hạ cánh không hợp lý, khơng lúc gây tai nạn máy bay mà hậu khó mà lƣờng trƣớc đƣợc Ngƣợc lại, hệ thống thời gian thực mềm thời gian trả hệ thống cho yếu tố kích thích quan trọng, nhiên trƣờng hợp ràng buộc bị vi phạm, tức thời gian trả hệ thống vƣợt giới hạn trễ cho phép, hệ thống cho phép tiếp tục hoạt động bình thƣờng, khơng quan tâm đến tác hại vi phạm gây Trong hai loại này, máy tính thƣờng can thiệp trực tiếp gián tiếp đến thiết bị vật lý để kiểm soát nhƣ điều khiển hoạt động thiết bị Đứng góc độ ngƣời ta chia RTS làm hai loại sau: - Embededed system: Bộ xử lý điều khiển phần toàn thiết bị, đƣợc sản xuất trọn gói từ yếu tố cứng từ nhà máy, ngƣời ta sử dụng khơng biết chi tiết mà thơng qua nút điều khiển, bảng số Với hệ thống này, ta không thấy đƣợc thiết bị nhƣ máy tính bình thƣờng nhƣ bàn phím, hình… mà thay vào nút điều khiển, bảng số, bảng số hay hình chuyên dụng đặc trƣng cho hệ thống, máy giặt ví dụ Ngƣời sử dụng việc bấm nút chọn chƣơng trình giặt, xem kết qua hệ thống đèn tín hiệu…Bộ vi xử lý Embeded system đƣợc lập trình trƣớc gắn chặt vào từ sản xuất khơng thể lập trình lại chƣơng trình hoạt động độc lập, khơng có giao tiếp với hệ điều hành nhƣ không cho phép ngƣời sử dụng can thiệp vào - Loại thứ hai bao gồm hệ thống có can thiệp máy tính thơng thƣờng Thơng qua máy tính ta hồn tồn kiểm sốt nhƣ điều khiển hoạt động thiết bị phần cứng hệ thống Những chƣơng trình điều khiển có nhiều loại, phục vụ cho nhiều mục đích khác viết lại cho phù hợp với yêu cầu thực tế Hiển nhiên loại hệ thống hoạt động đƣợc phải cần hệ điều hành(HĐH) điều khiển máy tính HĐH phải có khả nhận biết đƣợc thiết bị phần cứng, có khả hồn tất cơng việc giới hạn thời gian nghiêm ngặt HĐH phải HĐH hỗ trợ xứ lý thời gian thực Realtime operation system (RTOS) Hình 1.1: GPS-tracker- thời gian thực phƣơng tiện Hình 1.2: Đồng hồ điện tử hiển thị thời gian thực 1.2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG Đây ứng dụng sử dụng vi điều khiển để thiết kế đồng hồ thời gian thực hiển thị led thanh, với yêu cầu đảm bảo về: + Tính thực thi cao, có khả phát triển + Đảm bảo chất lƣợng, độ xác cao, làm việc lâu dài, bền bỉ + Tiết kiệm chi phí, linh kiện dễ kiếm dễ sử dụng dễ dàng thay xảy cố + Giảm thiểu chi phí, thời gian vận hành, bảo dƣỡng sửa chữa + Có thể sử dụng riêng (đồng hồ vạn niên xem giờ, ngày tháng năm) hay sử dụng chung ( lắp vào hệ thống mẹ) Từ yêu cầu hệ thống thiết kế hệ thống theo hƣớng sử dụng hệ thống thời gian thực cứng với ƣu điểm Sau vài điểm giới thiệu sơ lƣợc: - Sử dụng LED đoạn để hiển thị giá thành rẻ, dễ tìm kiếm - Sử dụng IC thời gian thực DS1307 IC có tác dụng tạo thời gian thực tƣơng đối xác, bao gồm giờ, phút, giây, thứ, ngày, tháng, năm - Sử dụng họ vi điều khiển MCS-51(Atmel) - Sử dụng IC ghi dịch 74HC138 để tăng số lƣợng chân điều khiển cho vi điều khiển 10 ... QUAN HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Giới thiệu hệ thống thời gian thực 1.1.2 Khái niệm hệ thống thời gian thực 1.1.3 Các loại hệ thống thời gian thực. .. tiên phần cứng xu hƣớng chung 1.1.3 Các loại hệ thống thời gian thực Các RTS thƣờng đƣợc phân thành hai loại Hệ thống thời gian thực cứng (Hard reatime system) Hệ thống thời gian thực mềm(Soft... system ): Hệ thống thời gian thực cứng hệ thống mà hành động phải khơng vi phạm ràng buộc thời gian có thời hạn lập lịch, hệ thống phải tiếp nhận nắm bắt đƣợc thời hạn lập lịch thời điểm Hệ thống