THIẾT KẾ đèn GIAO THÔNG DÙNG BỘ ĐỊNH THỜI TIMER CỦA 8051

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP MÔN HỌC KỸ THUẬT VI XỬ LÝ VÀ ỨNG DỤNG Đề tài: THIẾT KẾ ĐÈN GIAO THÔNG DÙNG BỘ ĐỊNH THỜI TIMER CỦA 8051 Nhóm Sinh viên thực : 1.TRẦN HẢI PHƯƠNG 2.NGUYỄN QUANG THÀNH 3.LÊ MINH THÙY Lớp : KTYS_ K15A Giáo viên giảng dạy : ThS Nguyễn Thanh Tùng BÁO CÁO BÀI TẬP MÔN HỌC KỸ THUẬT VI XỬ LÝ VÀ ỨNG DỤNG Đề tài: THIẾT KẾ ĐÈN GIAO THÔNG DÙNG BỘ ĐỊNH THỜI TIMER CỦA 8051 Nhóm sinh viên: Ký hiệu HỌ TÊN Tên nhiệm vụ SV1 Nguyễn Quang Thành Phân tích toán SV2 Trần Hải Phương SV3 Lê Minh Thùy Thiết kế phần cứng mạch điện tử Xây dựng thuật toán viết chương trình điều khiển Lớp: K15.KTYS Giáo viên giảng dạy: Nguyễn Thanh Tùng Thái Nguyên, tháng 11 năm 2018 CHƯƠNG PHÂN TÍCH CƠNG NGHỆ THIẾT KẾ 1.1 Yêu cầu công nghệ 1.1.1: Tổng quan hệ thống đèn giao thông Ngã tư nút giao trục đường, trục đường thường có số lượng phương tiện lưu thông lớn, đa dạng chủng loại phương tiện Nên cần phải có hệ thống đèn tín hiệu giao thơng để điều khiển luồng phương tiện lưu thơng qua ngã tư Tại góc đường ngã tư đường gồm đèn xanh, đỏ, vàng đồng thời có led hiển thị thời gian đếm ngược để người tham gia giao thông tiện quan sát Hướng chiếu đèn hướng lại đường mơ tả hình vẽ Hình Hướng chiếu đèn hướng lại đường Người điều khiển phương tiện phải quan sát đèn giao thông gần bên tay phải làm dẫn giao thơng theo tín hiệu đèn Khi đèn làm nhiệm vụ điều khiển giao thơng đèn đối diện có trạng thái màu đèn Còn đèn đường kề sát ngược lại màu đèn Ví dụ đèn nhánh có màu xanh, vàng, đỏ đèn nhánh bên cạnh có màu đỏ, vàng, xanh, việc thiết kế đèn vàng sáng đèn xanh đèn đỏ để báo cho phương tiện giao thông biết có chuyển đổi hai đèn màu xanh đèn màu đỏ 1.1.2: Các khối sản phẩm, chức khối: Khối Hiển Thị Vi điều khiển Khối nguồn Khối Khối Nguồn Chức Cung cấp nguồn (Nhiệm nuôi cho vụ hệ thống hoạt động khối) Vi điều khiển Khối hiển thị Xử lí truyền liệu sang khối hiển thị Tiếp nhận thông tin vi điều khiển để hiển thị kết 1.2: Phần cứng sử dụng 1.2.1: Vi điều khiển AT89S52 1.2.1.1: Giới thiệu chung họ VĐK 8051 MCS-51 họ vi điều khiển hãng Intel Vi mạch tổng quát họ MCS-51 chip 8051 Chip 8051 có số đặc trưng sau:  Bộ nhớ chương trình bên trong: KB (ROM)  Bộ nhớ liệu bên trong: 128 byte (RAM)  Bộ nhớ chương trình bên ngồi: 64 KB (ROM)  Bộ nhớ liệu bên ngoài: 64 KB (RAM)  port xuất nhập (I/O port) bit  định thời 16 bit  Mạch giao tiếp nối tiếp  Bộ xử lý bit (thao tác bit riêng lẻ)  210 vị trí nhớ định địa chỉ, vị trí bit  Nhân / Chia µs Ngồi ra, họ MCS-51 cịn có số chip vi điều khiển khác có cấu trúc tương đương như: 1.2.1.2 Các chân họ VĐK 8051 Hình Sơ đồ chân IC 8051 - CPU (Central Processing Unit): Đơn vị xử lý trung tâm tính tốn điều khiển q trình hoạt động hệ thống - OSC (Oscillator): Mạch dao động tạo tín hiệu xung clock cung cấp cho khối chip hoạt động - Interrupt control: Điều khiển ngắt nhận tín hiệu ngắt từ bên ngồi (INT0, INT1), từ định thời (Timer 0, Timer 1) từ cổng nối tiếp (Serial port), lần luợt đưa tín hiệu ngắt đến CPU để xử lý - Other registers: Các ghi khác : Lưu trữ liệu port xuất/nhập, trạng thái làm việc khối chip suốt trình hoạt động hệ thống - RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ liệu chip lưu trữ liệu - ROM (Read Only Memory): Bộ nhớ chương trình chip lưu trữ chương trình hoạt động chip - I/O ports (In/Out ports): Các port xuất/nhập điều khiển việc xuất nhập liệu duới dạng song song ngồi chip thơng qua port P0, P1, P2, P3 - Serial port: Port nối tiếp điều khiển việc xuất nhập liệu dạng nối tiếp ngồi chip thơng qua chân TxD, RxD - Timer 0, Timer 1: Bộ định thời 0, dùng để định thời gian đếm kiện (đếm xung) thông qua chân T0, T1 - Bus control: Điều khiển bus điều khiển hoạt động hệ thống bus việc di chuyển thông tin hệ thống bus - Bus system: Hệ thống bus liên kết khối chip lại với 1.2.2 Vi điều khiển AT89S52 Vi điều khiển AT89S52 vi điều khiển thuộc họ 8051, loại CMOS, có tốc độ cao cơng suất thấp với nhớ Flash lập trình AT89S52 có 40 chân Hình Hình minh họa thực tế sơ đồ chân IC AT89S52 VĐK AT89S52 có đặc tính sau:  KB EPROM (Flash Erasable and Programmable Read Only Memory), có khả tới 1000 chu kỳ ghi/xoá  Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz  Có mức khóa nhớ lập trình  128 Byte RAM nội  Port xuất /nhập I/O bit  Timer/counter 16 Bit  nguồn ngắt  Giao tiếp nối tiếp điều khiển phần cứng  64 KB vùng nhớ mã  64 KB vùng nhớ liệu  Cho phép xử lý bit  210 vị trí nhớ định vị bit Sơ đồ khối chức chân AT89S52: Sơ đồ khối: Hình Biểu diễn sơ đồ khối chức vi điều khiển AT89S52 Chức chân AT89S52: Các cổng vào/ra song song 8051 có cổng vào/ra song song bit Port 0, Port 1, Port 2, Port Các cổng sử dụng cổng vào cổng  Cổng Port (các chân 32÷39): cổng vào/ra song song có hai chức  Cổng Port (các chân 1÷8): cổng vào/ra song song Các chân ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2…có thể dùng cho giao tiếp với thiết bị cần  Cổng Port (các chân 21÷28): cổng vào/ra song song có tác dụng kép, dùng đường xuất nhập byte bus địa 16 bitđối với thiết bị dùng nhớ mở rộng  Cổng Port (các chân 10÷17): cổng vào/ra song song có tác dụng kép Bảng sau cho ta chức chân cổng Port3 Nguồn: Chân 40: VCC = 5V ± 20% Chân 20: GND Các chân tín hiệu điều khiển - Chân cho phép nhớ chương trình PSEN (Program Storage Enable): +Tín hiệu PSEN tín hiệu chân 29 có tác dụng kép +Cho phép đọc nhớ chương trình ngồi, thường nối đến chân OE (Output Enable) EPROM cho phép đọc byte mã lệnh +Khi vi điều khiển thi hành chương trình ROM nội PSEN mức logic - Chân cho phép chốt địa ALE/PROG (Address Latch Enable): +Chân tín hiệu ALE (chân 30) đưa xung điều khiển cho phép chốt byte thấp địa vi điều khiển truy xuất nhớ Chân đầu vào xung lập trình lập trình cho FLASH, chân tín hiệu mức - Chân tín hiệu truy xuất ngồi EA (External Access): +Tín hiệu vào EA (chân 31) nối với 5V (mức logic 1) với GND (mức 0) Nếu mức 1, vi điều khiển thi hành chương trình từ ROM nội Nếu mức 0, vi điều khiển thi hành chương trình nhớ mở rộng - Chân thiết lập lại RST (Reset): +Chân RST (chân 9) đường vào xóa vi điều khiển dùng để thiết lập lại hệ thống Khi chân tín hiệu đưa lên mức cao, ghi bên nạp giá trị thích hợp để khởi động hệ thống RST kích cấp điện dùng mạch R-C +Trạng thái ghi vi điều khiển tóm tắt bảng sau Quan trọng ghi ghi đếm chương trình (PC – Program Counter) Sau thiết lập lại (RST trở mức thấp), ghi PC có giá trị 0000H, tức chương trình ln bắt đầu địa nhớ chương trình Nội dung RAM chip không bị thay đổi thiết lập lại Hình 5: Các ghi 89S52 Bảng trạng thái ghi sau Reset - Các chân XTAL1, XTAL2: +Các chân (chân 18, 19) nối với tạo dao động chip +Tần số dao động thường 12MHz Khi tụ có giá trị 33pF Chân VCC nối đến +5V nguồn cấp, chân GND nối đất Bộ nhớ chip - RAM trong: +Bộ vi điều khiển 8051 có 128 byte RAM bao gồm 32 byte (00H đến 1FH) dành cho ghi, 16 byte (20H đến 2FH) vùng RAM định địa theo bit, sau 80 byte RAM nháp 10 +Vùng ghi có 32 byte, chia thành khối (bank đến bank 3), khối có ghi (từ R0 đến R7) +Ở vùng RAM định địa theo bit, bit dánh địa từ 00H đến 7FH Các ghi chuyên dụng (SFRs – Special Function Registers) +Các ghi có địa từ 80H đến FFH Chúng chứa nội dung ghi điều khiển Hình 6:một số ghi chuyên dụng: - ROM: +Bộ vi điều khiển AT89S52 có 4KB FLASH lập trình +ROM ln chiếm vùng địa thấp nhớ chương trình Các Bộ định thời/Bộ đếm Bộ vi điều khiển 8051 có Bộ định thời/Bộ đếm Bộ định thời/Bộ đếm Bộ định thời/Bộ đếm Chúng hoạt động định thời đếm Chế độ hoạt động Bộ định thời/Bộ đếm cất ghi TMOD: 11 +Nếu bit GATE xóa, Bộ định thời/Bộ đếm phép hoạt động bit TR tương ứng ghi TCON thiết lập Ngược lại, GATE thiết lập Bộ định thời/Bộ đếm hoạt động chân INT tương ứng tích cực (mức thấp) +Bit C/T dùng để lựa chọn chế độ hoạt động đếm hay định thời Nếu bị xóa, hoạt động theo chế độ định thời với nguồn xung xung tạo từ tạo dao động chip sau chia 12 +Các bit M0, M1 dùng để xác định chế độ đếm cho đếm: Hình Các chế độ hoạt động đếm Sự hoạt động Bộ định thời/Bộ đếm điều khiển ghi TCON: +Các bit TR cho phép Bộ định thời/Bộ đếm hoạt động (nếu thiết lập) không cho phép chúng hoạt động (nếu bị xóa) +Các bit TF cờ tràn tương ứng với Bộ định thời/Bộ đếm Chúng thiết lập xảy tràn xóa phần cứng xử lý rẽ nhánh đến chương trình phục vụ ngắt tương ứng +Các bit IT bit ngắt +Các bit IE cờ ngắt cạnh, thiết lập dò thấy ngắt cạnh Điều khiển ngắt Bộ vi điều khiển 8051 có nguồn ngắt: TF0, TF1, INT0, INT1 ngắt cổng nối tiếp Sự điều khiển hoạt động ngắt cất ghi 12 ghi cho phép ngắt IE (Interrupt Enable) ghi xác định thứ tự ưu tiên ngắt IP (Interrupt Priority) Các bit chức chúng ghi IE sau (thiết lập cho phép, xóa cấm): Hình8 Các bit chức ghi IE Với ghi IP: Hình Các bit chức chúng ghi IP 1.2.3: LED Hình 10 Hình dạng bên ngồi led sơ đồ chân 13 LED đoạn hay LED thanh là linh kiện phổ dụng , dùng công cụ hiển thị đơn giản Trong LED bao gồm LED mắc lại với , mà có tên LED đoạn, LED đơn mắc cho hiển thị số từ - 9, vài chữ thông dụng, để phân cách người ta cịn dùng thêm led đơn để hiển thị dấu chấm (dot)      LED dù có nhiều biến thể tựu chung có loại         + Chân Anode chung (chân + led mắc chung lại với nhau.)         + Chân Catode chung (Chân - led mắc chung với nhau.)   Đối với loại Anode chung:  Chân chân Vcc (nối ngắn mạch lại với nhau, sau nối chung với chân anode led đơn), muốn led sáng việc nối chân catot xuống mass Điện áp Vcc mass phải lớn 1.3V cung cấp đủ led sáng, nhiên không cao 3V      Trong mạch thường dùng nguồn 5V nên để tránh việc đót cháy led cách đơn giản mắc thêm trở hạn dòng 1.2.4 Điện trở Trong mạch em sử dụng điện trở than, loại điện trở sử dụng nhiều mạch điện Điện trở than cấu tạo hỗn hợp bột than chất khác, tùy theo tỷ lệ pha trộn mà điện trở có trị số lớn hay nhỏ Bên điện trở bọc lớp cách điện Trong mạch điện điện trở có tác dụng điều chỉnh điện áp, hạn chế dòng điện, chia điện áp, điều chỉnh hệ số khuếch đại, ổn định nhiệt… Hình 11 Điện trở kí hiệu thường gặp 14 Hình 12 Bảng màu điện trở 1.2.5 Tụ điện Công dụng:  Cho điện áp xoay chiều qua ngăn điện áp chiều lại, tụ sử dụng để truyền tín hiệu tầng khuếch đại có chênh lệch điện áp chiều  Lọc điện áp xoay chiều sau chỉnh lưu (loại bỏ pha âm) thành điện áp chiều phẳng Đó nguyên lý tụ lọc nguồn.   Với điện AC (xoay chiều) tụ dẫn điện cịn với điện DC (một chiều) tụ lại trở thành tụ lọc Tụ gốm: Hình 13 Tụ gốm Đặc điểm tụ gốm kích thước nhỏ, điện dung lớn, có tính ổn định tốt, làm việc lâu dài mà khơng lão hố Cách đọc: lấy hai chữ số đầu nhân với 10(mũ số thứ 3) 15 Ví dụ: Tụ hình có trị số 474K nghĩa Giá trị tụ= 47 x 104 = 470000 (pF) = 0,47 (µF) Chữ K J cuối sai số 5% hay 10% tụ Dòng bên ghi điện áp cực đại (Umax) mà tụ chịu Nguyên lí hoạt động: Tụ gốm tụ khơng phân cực, khơng quy định cực tính, đấu nối thoải mái mạng AC hay DC Thường sử dụng mạch có tần số cao hay mạch lọc nhiễu Tụ có kí hiệu C (Capacitor) Tụ mắc nối tiếp Tụ mắc song song Hình 14 Tụ mạch nối tiếp song song 1.2.6 Thạch anh Hình 15.Hình dạng thạch anh 16 Thạch anh vật chất cứng, suốt, có trọng lượng riêng 2.649 kg/m3 (1.531 oz/in3), nhiệt độ nóng chảy 1750 °C (3182 °F) Linh kiện thạch anh làm tinh thể đá thạch anh mài phẳng xác Linh kiện thạch anh làm việc dựa hiệu ứng áp điện Hiệu ứng có tính thuận nghịch Khi áp điện áp vào mặt thạch anh, bị biến dạng Ngược lại, tạo sức ép vào bề mặt đó, phát điện áp Tác dụng thạch anh mạch dùng để tạo dao động cho tần số ổn định Ở mạch ta dùng thạch anh 12MHZ 1.2.7 DIODE phát quang (LED) Hình 16 Hình ảnh thực tế LED, kí hiệu phân cực LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) các điốt có khả phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống điốt, LED cấu tạo từ khối bán dẫn loại p ghép với khối bán dẫn loại n LED thường dùng mạch báo hiệu, thị trạng thái mạch báo nguồn, trạng thái thuận hay ngược 1.3 Phần mềm hỗ trợ Trong chúng em sử dụng số phân mềm hỗ trợ như:  Keil C: để viết code cho vi điều khiển  Proteus: để mô mạch  ISP Prog: để nạp chương trình cho vi điều khiển 17 CHƯƠNG THỰC THI THIẾT KẾ SẢN PHẨM 2.1 Thiết kế phần cứng Sơ đồ nguyên lý Nguyên lý hoạt động mạch Mạch đèn giao thơng dựa nội dung lập trình cho AT89S52, có tín hiệu điều khiển theo thời gian, AT89S52 đưa liệu đến LED xanh, đỏ, vàng để điều khiển LED sáng hay tắt LED đoạn nhận liệu từ vi điều khiển trung tâm để thực việc đếm lùi thời gian Như vậy, mạch bắt đầu thực đếm lùi, đèn sáng tuần tự: đèn đỏ sáng 20 giây, sau đến đèn xanh sáng 20 giây, cuối đèn vàng sáng giây tiếp tục đèn đỏ sáng 18 2.2 Thiết kế phần mềm Thuật toán điều khiển Bật đèn đỏ Bộ đếm đếm ngược hết 20s Bật đèn xanh Bộ đếm đếm ngược hết 20s Bật đèn vàng Bộ đếm đếm ngược hết 5s 19 Code chương trình điều khiển giải thích chương trình #include unsigned int i,j; void delay_50ms() { TMOD &=0xF0; //Xoa tat ca cac bit T0 (giu bit T1); TMOD |=0x01; //cai dat T0 ; //setup 50ms delay; TH0=0x3C; //khoi taoTimer (high byte); TL0=0xB0; //khoi taoTimer (low byte); TF0=0; // xoa co tran; TR0=1; //khoi dong Timer 0; while(TF0==0); //vong lap timer bat co tran (TF0==1); TR0=0; //Stop timer 0; } void delay_1s() { for(j=0;j=0;i ) { LED_CHUC = Code7Seg[i/10]; LED_DVI = Code7Seg[i%10]; Delay_1s(); } // Den xanh DEN_DO = 1; DEN_XANH = 0; DEN_VANG = 1; for(i=20;i >=0;i ) { LED_CHUC = Code7Seg[i/10]; LED_DVI = Code7Seg[i%10]; Delay_1s(); 21 } // Den vang DEN_DO = 1; DEN_XANH = 1; DEN_VANG = 0; for(i=5;i>=0;i ) { LED_CHUC = Code7Seg[i/10]; LED_DVI = Code7Seg[i%10]; Delay_1s(); } } } 22 ... //khoi taoTimer (high byte); TL0=0xB0; //khoi taoTimer (low byte); TF0=0; // xoa co tran; TR0=1; //khoi dong Timer 0; while(TF0==0); //vong lap timer bat co tran (TF0==1); TR0=0; //Stop timer 0;... hệ thống đèn giao thông Ngã tư nút giao trục đường, trục đường thường có số lượng phương tiện lưu thông lớn, đa dạng chủng loại phương tiện Nên cần phải có hệ thống đèn tín hiệu giao thơng để... Vi điều khiển AT89S52 1.2.1.1: Giới thiệu chung họ VĐK 8051 MCS-51 họ vi điều khiển hãng Intel Vi mạch tổng quát họ MCS-51 chip 8051 Chip 8051 có số đặc trưng sau:  Bộ nhớ chương trình bên trong: