THIẾT KẾ BỘ KIT VI XỬ LÝ ĐA NĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VÀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ThS. NGÔ THANH BÌNH Bộ môn Kỹ thuật điện tử Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải ThS. LÊ QUANG CƯỜNG Công ty Tư vấn xây dựng dầu khí PETROLIMEX Tóm tắt: Bài báo này trình bày về một thiết kế cho lập trình vi xử lý thông qua bộ KIT phát triển có kết cấu độc lập dạng Main – Chip, giúp sinh viên có thể lập trình ứng dụng cho nhiều loại vi xử lý trên thiết bị thực tế. Summary: This report presents a design for programming microcontroller by evolution KITs in Main – Chip separate design, assisting students in some microcontroller programs and applications with devices. I. ĐẶT VẤN ĐỀ CT 2 Bài báo trình bày về một số thiết kế cơ bản trên cơ sở cấu trúc Main – Chip, dựa trên các nhiệm vụ thí nghiệm và tổng hợp một số yêu cầu thực tế của các công ty. Thiết kế nhằm đưa ra sơ đồ mẫu và xây dựng những bài toán điều khiển từng cụm thiết bị độc lập, giúp sinh viên tự thay đổi vi xử lý và ngoại vi ghép phối thành bài toán điều khiển lớn hơn, ứng dụng trong công nghiệp, GTVT như cho các bài toán Lập trình nhúng, Lập trình cho các bài toán điều khiển đèn giao thông, đường ngang, thông gió, điều khiển giám sát tòa nhà, điều khiển từ xa… Sinh viên có thể trực tiếp làm việc trên bộ thiết bị sau khi học trên lớp, sau đó tự phát triển bài toán trên bộ KIT này. Điều này tăng cường khả năng tự làm việc và sáng tạo cho sinh viên. Bên cạnh đó dựa vào các sơ đồ thiết kế cơ sở, sinh viên sẽ giảm bớt sai sót trong quá trình thiết kế chế tạo mô hình sản phẩm phục vụ NCKH và bảo vệ tốt nghiệp. II. YÊU CẦU THIẾT KẾ Bộ KIT được thiết kế chế tạo theo dạng kết cấu Main – Chip đa năng, có thể dễ dàng thay đổi vi xử lý bằng các dòng PIC, AVR, PSoC … tạo hướng mở cho bộ KIT. Bộ KIT thí nghiệm có khả năng bao quát cả các bài thí nghiệm hiện có ngoài việc tạo thêm trên 30 Unit mới, mỗi Unit gồm một số bài thí nghiệm quét hết một nội dung học tập. Ngoài ra khi có sự cố chạm chập, cháy nổ khi thí nghiệm có thể dễ dàng thay thế từng cụm thiết bị, giảm thiểu kinh phí khi cần sửa chữa thay mới. 1. Khối vi xử lý cơ bản, lập trình ASSEMBLY Module 1 Vi xử lý AT89C52 Bài toán cơ bản: Điều khiển Led đơn, Led 7 thanh, ma trận phím, ngắt, phát hồng ngoại, điều khiển động cơ một chiều, động cơ bước, đo nhiệt độ, hiển thị LCD, thu hồng ngoại điều khiển từ xa, liên kết với KIT khác thành hệ vi xử lý (Giao tiếp đa vi xử lý), ghép nối ROM, RAM, PC, ma trận điểm. Bài toán ứng dụng: Điều khiển đèn giao thông, các hệ thống định giờ, lập trình điều khiển từ xa, đo lường cảnh báo, điều khiển đèn quảng cáo, quang báo, mạng vi xử lý, ghép phối hệ PC – Vi xử lý. Module 2 Vi xử lý AT89C52: Thiết kế KIT phát triển sử dụng các Jack cắm rời, áp dụng cho các bài toán ứng dụng trong thực tế: Điều khiển giám sát các thiết bị nhà cao tầng, điều khiển đường ngang, đèn giao thông, các hệ thống định giờ. 2. Khối vi xử lý nâng cao, lập trình C Module Vi xử lý ATmega8/88. Bài toán cơ bản: Thiết kế mạch nạp onboard usb, lập trình điều khiển LED đơn, ngắt, ghép nối bộ nhớ ngoài, đo nhiệt độ, LCD, PWM, RTC, ghép nối PC. Bài toán ứng dụng: Đèn quảng cáo, đo lường điều khiển các đại lượng tương tự, ghép nối PC điều khiển KIT từ PC. CT 2 Module Vi xử lý ATmega16/32/535. Bài toán cơ bản: Điều khiển các cụm thiết bị độc lập, Động cơ bước, Động cơ một chiều, PWM, RTC, Loa, quạt, đo nhiệt độ cảnh báo và điều khiển ngưỡng. Bài toán ứng dụng: Điều khiển báo cháy, thông gió nhà cao tầng, mạng AVR, AVR – PC, các bài toán phát triển. Module Vi xử lý PSoC CY8C29466/566. Hai Module này ngoài giải quyết các bài toán điều khiển trên còn có kể kết nối với các Module khác, xử lý các ngoại vi phức tạp như kết nối thẻ nhớ, RF, GPS, INS, MEMS. III. KẾT CẤU PHẦN CỨNG BỘ KIT 1. Vi xử lý Bộ KIT sử dụng vi xử lý dòng MCS51 và AVR, ngoài ra còn được thiết kế mở rộng cả cho PIC, PSoC với các bảng cắm rời theo kết cấu Module. Phần cơ sở chủ yếu được xây dựng trên vi xử lý AT89C52 và ATMega88 của Atmel do tính thông dụng, rẻ tiền của chúng. Điều này phù hợp với đối tượng sinh viên, bao gồm: AT89C51/52, AT89S51/52 ATMega8/88, ATMega16/535 CY8C29466/566 Sau khi đã thành thạo về vi xử lý cơ sở, người học có thể lựa chọn vi xử lý mạnh hơn với các ngoại vi phức tạp, phát triển thêm KIT với các Module mở rộng khác. 2. Linh kiện phụ trợ Tất cả linh kiện nằm trên bảng Main và một vài Module độc lập khác, bao gồm: - Led đơn, Led 7 thanh, Led Matrix 5x7/8x8 - Tụ điện, Trở, Diode, Transistor các loại - Thạch anh dao động 11.0592MHz, 8 MHz, 32.768 KHz … - IC nguồn, đệm, chốt, dịch, MAX232, EEROM, SRAM, RTC - ADC, LCD, Sensor đo nhiệt độ - Mắt thu, Led phát hồng ngoại - Động cơ 1 chiều DC, động cơ bước +12VDC - Quạt, Loa (Còi, Chuông) CT 2 - Nguồn, Pin +3 VDC, Cable nối, DB9 Female, DB25 Male, Cable nạp chương trình, Phím bấm, Switch, toả nhiệt, ốc vit… IV. BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN Các bài toán điều khiển cơ bản chạy trên Module Main – Chip với yêu cầu cho trước. Với các yêu cầu mở rộng sinh viên phải tự tổ chức phần cứng. Điều này tạo ra những chương trình điều khiển khác nhau ngay cả khi cho các nhóm làm cùng một bài thí nghiệm. Các bài toán điều khiển với yêu cầu chi tiết, sơ đồ tổ chức phần cứng, list chương trình phần mềm có thể tham khảo trong đề tài NCKH mã số B2007-04-27 của cùng tác giả. 1. MCS51 Unit 1: Xử lý Led đơn (Nháy, quay, dịch, kết hợp) Unit 2: Xử lý Led 7 thanh (Các hệ thống định giờ, đèn giao thông) Unit 3: Phím bấm (Phím đơn, Ma trận phím) Unit 4: Thu phát hồng ngoại (Điều khiển từ xa) Unit 5: Ghép LCD (Hiển thị, tạo đồng hồ) Unit 6: Giao tiếp PC Unit 7: Điều khiển động cơ một chiều DC- Unit 8: Điều khiển động cơ bước Step Motor Unit 9: Ghép ADC ngoài Unit 10: Ma trận điểm Unit 11: Mở rộng bộ nhớ Unit 12 : Thiết kế ứng dụng 1: Giao tiếp hai vi xử lý giám sát nhiệt độ Unit 13 : Thiết kế ứng dụng 2: Điều khiển từ xa DC- Unit 14 : Thiết kế ứng dụng 3: Điều khiển từ xa Step motor Unit 15 : Thiết kế ứng dụng 4: Hệ đa vi xử lý Unit 16 : Thiết kế ứng dụng 5: Điều khiển đèn giao thông Unit 17 : Thiết kế ứng dụng 6: Điều khiển đường ngang 2. AVR/PSoC Unit 1: Xử lý Led đơn (Nháy, quay, dịch, kết hợp) Unit 2: Xử lý Led 7 thanh (Các hệ thống định giờ) CT 2 Unit 3: Phím bấm (Phím đơn, Ma trận phím) Unit 4: Thu phát hồng ngoại (Điều khiển từ xa) Unit 5: Ghép LCD (Hiển thị, tạo đồng hồ) Unit 6: Giao tiếp PC Unit 7: Lập trình Project multi file Unit 8: PWM Unit 9: Điều khiển động cơ 1 chiều DC- Unit 10: Điều khiển động cơ bước Step Motor Unit 11: ADC Unit 12: RTC Unit 13: Bài toán phát triển; Thiết kế ứng dụng Unit 14: Khai thác các ngoại vi của Module thí nghiệm đang sử dụng tại phòng thí nghiệm (SAB 80515) theo các bài đã có: Chống trộm; Thông gió đường hầm; Đèn tín hiệu; Trộn nhiên liệu. CT 2 MỘT SỐ MODULE CỦA BỘ KIT I2C LCD 24C16B A0 1 A1 2 A2 3 GND 4 SDA 5 SCLK 6 WP 7 VCC 8 U4 1 2 3 J4 CON3 R14 10K R13 10K Y1 32.768kHz C3 100n DS1307 X1 1 X2 2 Vb at 3 GND 4 SDA 5 SCL 6 SQW/OUT 7 VCC 8 U3 C4 10 0n +5V +5V +5V +5V EEPROM RTC BT1 3V SCL SDA SCL SDA SQW SCL SDA SCL GND SDA R35 10K LCD VSS 1 VDD 2 VEE 3 RS 4 RW 5 E 6 A 15 K 16 D0 7 D1 8 D2 9 D3 10 D4 11 D5 12 D6 13 D7 14 U5 LCD +5V +5V Var Var +5V T1 C828 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 P1 Header 12X2 R86 R Led7seg Step Motor DOT SEG G SEG F SEG E SEG D SEG C SEG B SEG A IN0 1 IN1 2 IN2 3 IN3 4 IN4 5 IN5 6 IN6 7 IN7 8 GND 9 COM 10 OUT7 11 OUT6 12 OUT5 13 OUT4 14 OUT3 15 OUT2 16 OUT1 17 OUT0 18 U7 1 2 3 4 J7 1 2 3 4 5 6 7 8 J8 CON8 CA1 1 CA2 4 CA3 5 A 2 B 6 C 9 D 11 E 12 F 3 G 8 DOT 10 CA4 7 U6 LED7 x4 R36 5K6 Q9 A1015 R37 5K6 Q10 A1015 R38 5K6 Q11 A1015 R39 5K6 Q12 A1015 7-SEG LED LED7 SEGMENT +5V STEP3 STEP4 STEP2 STEP1 STEP1 STEP2 STEP3 STEP4 Q29 TIP41C R77 0-470 Q26 Q28 R76 5K1 Q31 TIP41C D31 1N4007 R70 5K1 D34 1N4007 D33 1N4007 Q27 TIP41C R72 5K1 R71 0-470 Q24 1 2 3 4 5 6 J66 1 2 3 4 J65 D32 1N4007 R75 0-470 R74 5K1 Q30 Q25 TIP41C R73 0-470 +5V +12V +5V +5V +5V STREP Motor UART ADC RXD TXD MAX232 C1+ 1 C1- 3 C2+ 4 C2- 5 VCC 16 GND 15 V+ 2 V- 6 R1OUT 12 R2OUT 9 T1 IN 11 T2 IN 10 R1IN 13 R2IN 8 T1 OUT 14 T2 OUT 7 U14 1 2 J68 5 9 4 8 3 7 2 6 1 P3 FEMALE DB9 C18 1u C20 1u C17 1u C19 1u C21 1u +5V +5V RS232 interface D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 #ADC DONE ADC #RD ADC #WR ADC #CS AD C # R D AD C # W R AD C # C S #ADC DONE C2 +IN 6 -IN 7 AGND 8 VREF/2 9 GND 10 DB7 11 DB6 12 DB5 13 DB4 14 DB3 15 DB2 16 DB1 17 DB0 18 CLKR 19 VC C/ VREF 20 CLKIN 4 INTR 5 CS 1 RD 2 WR 3 U2 R1 1 1 2 2 3 3 U1 1 2 3 4 J1 R4 R2 C1 R3 +5V +5V ROOM TEMPRATURE MEASUREMENT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 P6 Header 8X2 +5V Power DC- AC2 /D C 2 AC1 /D C 1 IN 1 OUT 3 GND 2 U12 + C14 D30 LED D28 LED + C15 C13 + C12 -+ 2 1 3 4 D29 BRIDGE 2A R68 22E2W R69 IN 1 OUT 3 GND 2 U13 + C11 R67 C16 +5V +12 V CT 2 12VAC  input 1 2 3 4 5 6 P2 Po wer On/Off AC1 AC2 1 2 3 J64 DC Jack 1 2 3 4 5 6 P7 Header 3X2 +5V DC1 DC2 DC4 DC3 DC1 DC2 DC3 DC4 1 2 Q5 A1015 D3 1N4007 Q1 Q4 C828 Q6 A1015 Q2 R12 1K D1 1N4007 R5 1K R11 1K R10 5K1 Q7 C2383 3 4 J3 D2 1N4007 R7 5K1 Q3 C828 D4 1N4007 R9 5K1 Q8 C2383 1 2 MG1 R6 1K R8 5K1 +5V +12V +5V M DC Motor ATMega16/32/566 CT 2 GND AGN D +5V AVC C AR EF AC1/DC1 AC2/DC2 PB1 PD 5 PD 1 PA4 AVC C PB2 PD 6 PD 2 PA5 PB3 PC 7 PB0 PD 3 PA6 PB4 PC 6 PB1 PA7 PD 4 MOSI PC 5 AR EF PB2 PD 5 MISO GND PB3 PD 6 SC K AVC C PB4 PC 4 PA0 R ESET PC 7 MOSI PC 3 PA1 VC C PC 6 MISO PC 2 PA2 GND PC 5 SC K XTAL 2 PC 1 PA3 PC 4 R ESET XTAL 1 PC 3 PC 0 PA4 VC C PD 0 PC 2 PA5 PD 7 GND PC 1 PD 1 PA6 PA0 XTAL 2 PC 0 PD 2 PA7 PA1 PD 7 XTAL 1 PD 3 PA2 AR EF PB0 PD 0 PD 4 PA3 GND VC C GND XTAL 1 XTAL 2 PD 1 PD 0 L3 100uH C1 100n + C11 1000u/50V 1 2 3 J5 -+ 2 1 3 4 D5 BRID GE 1A C4 22p 1 J7 1 1 2 2 3 3 U4 1 J8 L2 10uH C13 100n + C12 470u/25V (XCK/T0) PB0 1 (T1) PB1 2 (INT2/AIN0) PB2 3 (OC0/AIN1) PB3 4 (SS) PB4 5 (MOSI) PB5 6 (MISO) PB6 7 (SCK) PB7 8 RESET 9 VCC 10 GND 11 XTAL2 12 XTAL1 13 (RXD) PD0 14 (TXD) PD1 15 (INT0) PD2 16 (INT1) PD3 17 (OC1B) PD4 18 (OC1A) PD5 19 (ICP) PD6 20 PD7 (OC2) 21 PC0 (SCL) 22 PC1 (SDA) 23 PC2 (TCK) 24 PC3 (TMS) 25 PC4 (TDO) 26 PC5 (TDI) 27 PC6 (TOSC1) 28 PC7 (TOSC2) 29 AVCC 30 GND 31 AREF 32 PA7 (ADC7) 33 PA6 (ADC6) 34 PA5 (ADC5) 35 PA4 (ADC4) 36 PA3 (ADC3) 37 PA2 (ADC2) 38 PA1 (ADC1) 39 PA0 (ADC0) 40 U1 AT Mega16 1 2 3 J4 C10 100n 1 J6 L1 10uH 7805 IN 1 OUT 3 GND 2 U3 1 2 3 4 J3 SWITCH2X2 Y1 4-20MHz D6 LED 1 J9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 15 16 17 18 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 J1 CON40C C2 1u 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 15 16 17 18 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 J2 CON40C R13 1K C7 22p +5V +5V External crystal Drills Power supply Power-in jack CONNECTOR 20x2 CONNECTOR 20x2 MULTI-MICROCONTROLLERSCOMMUNICATE 1 2 3 4 5 6 P4 Contac AC1 AC2 12 C3 0.1mF PC6 (RESET) 1 PD0 (RXD) 2 PD1 (TXD) 3 PD2 (INT0) 4 PD3 (INT1) 5 PD4 (XCK/T0) 6 VCC 7 GND 8 PB6 (XTAL1) 9 PB7 (XTAL2) 10 PD5 (T1) 11 PD6 (AIN0) 12 PD7 (AIN1) 13 PB0 (ICP1) 14 PB1 (OC1A) 15 PB2 (SS/OC1B) 16 PB3 (MOSI/OC2) 17 PB4 (MISO) 18 PB5 (SCK) 19 AVCC 20 AREF 21 GND 22 PC0 (ADC0) 23 PC1 (ADC1) 24 PC2 (ADC2) 25 PC3 (ADC3) 26 PC4 (ADC4/SDA) 27 PC5 (ADC5/SCL) 28 U2 ATmega8 4 2 3 1 P2 USB - type B +5V 1 2 Y2 XTAL C8 22p C9 22p GND GND D3 LED R11 R R12 R D4 LED GND R9 330R R8 330R R7 330R Reset SCK MI S O MOS I R2 1.5k R3 1M R4 10k R1 100 C5 .1u R6 68R R5 68R D2 4007 D1 4007 C6 104 GND 1 8 2 7 3 6 4 5 P3 Header 4X2 R10 330R 1 2 3 P1 Reset select Rset Rset R_out R_out GND GND GND GND GND 12v GND CY8C29566 CT 2 SD ATA SC L K XR ES GND VCC1 V GND XRES Out 7Out 7 Out 9 Out 8 Out 6 Out 4 Out 5 Out 3 Out 2 SW0 NSS Conf GND SDAT A RF MISO SCL K RF SCK Data Out10 RF MOSI NSS Data IRQ 1 Out1 IRQ0 SW1 VCC C1 100uF 1 2 4 3 J6 SWIT CH 2 X2 CY8C29566 A, I,P0 [7] 40 A,IO,P0[5] 41 A, IOP 0[3 ] 42 A, I,P0 [1] 43 P2[5] 1 P1 [0 ]/ I2 CSDA, XTALo u t 18 P1[2] 19 P1[4 ],EXTCLK 20 P1[6] 21 P4[6] 30 A,I,P2[0] 31 A,I,P2[2] 32 Ex VREF, P2[6] 34 A, I,P0 [0] 35 A,IO,P0[2] 36 A,IO,P0[4] 37 A, I,P0 [6] 38 Ex AGND/P2[4] 33 VCC 39 P2[7] 44 P2[1],A,I 3 P4[3] 6 P4[5] 5 P4[1] 7 SMP 8 P3[7] 9 P3[5] 10 P3[3] 11 P3[1] 12 P1 [7], I2 CSCL 13 P4[7] 4 P1[3] 15 P1 [1]/ I2C SCL,XTALin 16 P1 [5], I2 CSDA 14 Vs s 17 P4[4] 29 P3[0] 22 P3[2] 23 P3[4] 24 P3[6] 25 P4[0] 27 XRES 26 P4[2] 28 P2[3],A,I 2 U1 1 2 3 4 5 J2 CON5 VCC1 3.3V VCC1VCC + C3 1000MF/50V 1 2 JP1 POW ER VIT F1 FUSE 0.5A R2 330R D2 LED OUT 2 GND 3 #ON 5 In 1 Feedback 4 U2 LM2575ADJ L1 ??nH R3 390R LM317AT IN 3 OUT 2 ADJ 1 U3 C2 100u + C4 470MF/25V D1 1A D3 R1 240R VCC 3.3V VCC 1 H1 Vit 1 H2 Vit 1 H4 Vit 1 H3 Vit 1 2 3 4 5 6 P1 Head er 3X2 VCC0 GND0 1 2 3 J7 DC Jack F1 12V FB 5V F0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 P4 Head er 1 1X2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 P3 Header 11X2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 P2 Header 11X2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 P5 Header 11X2 VI. KẾT LUẬN Các bài toán điều khiển cơ bản chạy trên Module Main – Chip với yêu cầu cho trước. Với các yêu cầu mở rộng sinh viên phải tự tổ chức phần cứng. Điều này tạo ra những chương trình điều khiển khác nhau ngay cả khi cho các nhóm làm cùng một bài thí nghiệm, tăng cường khả năng sáng tạo cho sinh viên. Bài báo đưa ra các cấu trúc phần cứng cơ bản, sinh viên có thể áp dụng nguyên các sơ đồ này hoặc tổ chức các khối theo các cách khác nhau phục vụ cho làm bài tập lớn, thiết kế môn học, nghiên cứu khoa học và bảo vệ tốt nghiệp. Các thiết kế mẫu này còn giúp sinh viên làm giảm sai sót và giảm kinh phí trong quá trình chế tạo sản phẩm. Tài liệu tham khảo [1]. Sensor Yeralan. Programming and Interfacing the 80C51 Microcontroller. Rigel Cor. , 1993 [2]. Michael J Pont. Programming Embedded System. University of Leicester, 2003 [3]. Dhananjay V Gadre. Programming and Customizing the AVR Microcontrollers. McGraw-Hill, 2001 [4]. David E Simon. An Embedded Software Primer. China Machine Press, 2005 [5]. Michael Barri. Programming Embedded Systems in C and C++. O’Reilly, 1999 [6]. Joe Pardue. C Programming for Microcontrollers. Smiley Micros, 2005 [7]. Peter Marweden. Embedded Systems Design. Springer, 2006♦ . THIẾT KẾ BỘ KIT VI XỬ LÝ ĐA NĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VÀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ThS. NGÔ THANH BÌNH Bộ môn Kỹ thuật điện tử Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Giao. có kể kết nối với các Module khác, xử lý các ngoại vi phức tạp như kết nối thẻ nhớ, RF, GPS, INS, MEMS. III. KẾT CẤU PHẦN CỨNG BỘ KIT 1. Vi xử lý Bộ KIT sử dụng vi xử lý dòng MCS51 và AVR,. trình điều khiển từ xa, đo lường cảnh báo, điều khiển đèn quảng cáo, quang báo, mạng vi xử lý, ghép phối hệ PC – Vi xử lý. Module 2 Vi xử lý AT89C52: Thiết kế KIT phát triển sử dụng các Jack cắm