GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH A. LỜI MỞ ĐẦU Trong những thập niên cuối thế kỷ 20, kỹ thuật điện tử đã liên tục có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là trong kỹ thuật chế tạo vi mạch điện tử. Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử mà đặc trưng là kỹ thuật vi xử lý đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của khoa học tính toán và xử lý thông tin, nó ảnh hưởng quyết định đến con đường “tin học hoá” xã hội, tức là con đường mà thông tin đã và đang trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp trong nền sản xuất của kỷ nguyên tới. Năm 1970, công ty Intel cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên, có tên gọi là Intel – 4004, nhằm đáp ứng nhu cầu cần thiết của một công ty kinh doanh là hãng truyền thông BUSICOM. Intel – 4004 là kết quả một ý tưởng quan trọng trong sự phát triển kỹ thuật vi xử lý số. Đó là một kết cấu logic mà có thể thay đổi chức năng của nó bằng chương trình ngoài chứ không phát triển theo hướng một cấu trúc chỉ thực hiện một số chức năng nhất định như trước đây. Do khả năng mềm dẻo hoá trong các thao tác của mình, năm 1970 Intel – 4004 đã trở thành bộ vi xử lý đầu tiên trên thị trường thế giới. Intel - 4004 là bộ vi xử lý 4 bits song song, được chế tạo theo quy trình công nghệ MOS kênh cảm ứng loại P. Thời gian tối thiểu để thực hiện một lệnh là 10,8µs. Năm 1972, hãng Intel cho xuất xưởng bộ vi xử lý có tên gọi là Intel – 8008. Kiểu này vẫn được chế tạo theo công nghệ PMOS nhưng là laọi 8 bits song song. Bộ vi xử lý này là CPU của máy tính MICRAL do Pháp chế tạo. Đến đây, hàng loạt các hãng điện tử nổi tiếng hàng đầu của hế giới như National, Rockwell, … đã nhanh chóng đi vào công nghệ sản xuất và chế tạo các bộ vi xử lý. Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 1 GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH Năm 1974, hãng Intel cho ra đời bộ vi xử lý 8080 – 8 bits song song được chế tạo theo công nghệ NMOS với thời gian thực hiện một lệnh là 2µs, đã đánh dấu một bước tiến lớn trên con đường làm chủ tốc độ xử lý tin của kỹ thuật điện tử hiện đại. Các hãng khác cũng cho ra đời những bộ vi xử lý có tín năng tương ứng: 6800 (Motorola), 8080 (Texas Intrusment), …Năm 1978, laọi 8080 được cải tiến thành loại 8085. Lúc này đã xuất hiện những máy tính mini sử dụng các bộ vi xử lý nói trên. Theo đà đó các thông số cơ bản của bộ vi xử lý ngày càng cải thiện: tốc độ nagỳ càng cao (các bộ vi xử lý hiện đại của Intel đã đạt tới tốc độ 500 – 800 MHz), độ rộng kênh thông tin ngày càng lớn (các bộ vi xử lý hiện đại của Intel có kênh dữ liệu 16/32/64 bit). Điều đó đã giúp cho bài toán thiết kế các hệ vi xử lý chuyên dụng với tính năng rộng lớn trở nên dễ dàng hơn. Một hệ vi xử lý được thiết kế tối thiểu bao gồm một bộ vi xử lý (đây là khối điều khiển trung tâm), một bộ nhớ RAM, một bộ nhớ cố định ROM và các cổng vào ra số liệu cùng những thiế bị ngoại vi cần thiết. Một hệ vi xử lý tối đa khôngcó giới hạn về số lượng thành phần, về chức năng thực hiện và về quy mô ứng dụng. Ngày nay, những ứng dụng của vi điều khiển đã đi sâu vào đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người, là một phần tất yếu không thể thiếu trong đời sông hiện đại. Thế kỷ 21 được xem là thế kỷ của khoa học công nghệ, là thế kỷ mà máy móc được thiết kế và lập trình một cách tự động để thay thế các hoạt động của con người trong sản xuất, cũng như để phục vụ các công việc trong sinh hoạt. Trong một cuộc sống mang tính tự động hoá cao thì các mạch vi xử lý như là một công cụ đắc lực, quan trọng , hỗ trợ cho con người thực hiện nhu cầu ngày càng cao và càng hoàn thiện của mình. Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 2 GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH Đang là sinh viên ngồi trên ghế nhà trường, cơ hội tiếp cận, học tập những công nghệ tiên tiến, hiện đại chưa nhiều, nên trong quá trình tự học và nghiên cứu, nhóm chúng em đã cố gắng tìm hiểu về bộ vi xử lý, cũng như các ứng dụng của nó trong các hệ vi xử lý. Với những gì nghiên cứu được, nhóm chúng em đã làm thực hành ứng dụng thông qua việc thiết kế đồng hồ điện tử. Cấu trúc chính của đồng hồ điện tử bao gồm bộ vi xử lý AT89S52 kết hợp với các IC giải mã 74LS138, hiển thị bằng LED 7 thanh với nguồn cung cấp là 5V. Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 3 GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH B. NỘI DUNG I. Giới thiệu về họ vi xử lý 8051 1.1. Tóm tắt lịch sử họ vi xử lý 8051 Vào 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”. Vi xử lý 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. Vi 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 64KB, nhưng các nhà sản xuất lúc đó đã cho xuất xưởng chỉ với 4KB ROM trên chíp. Vi xử lý 8051 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kỳ dạng biến thể nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họ phải để lại mã tương thích với 8051. Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 với 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 lượng 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. Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 4 GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH Hình 1. Bố trí bên trong của khối 8051 1.2. Các thành viên khác của họ 8051 a. Bộ vi điều khiển 8052: Bộ vi điều khiển 8052 có tất cả các đặc tính chuẩn của 8051 ngoài ra nó còn có thêm 128 byte RAM và một bộ định thời. Nó cũng có 8KB ROM trên chíp thay vì 4KB như 8051. b. Bộ vi điều khiển 8031: Chíp 8031 thường được coi là 8051 không có ROM trên chíp vì nó có 0KB ROM trên chíp. Để sử dụng chíp này ta phải bổ sung ROM ngoài cho nó. ROM ngoài phải chứa chương trình được chứa trong ROM trên chíp bị giới hạn bởi 4KB, còn ROM ngoài chứa chương trình được gắn vào 8031 thì có thể lớn hơn 64KB. Khi bổ sung cổng, chư vậy chỉ còn hai cổng để thao tác. Để giải quyết vấn đề này ta có thể bổ sung cổng vào ra cho 8031. Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 5 GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH c.Các bộ vi điều khiển 8051 từ các hãng khác nhau: - Bộ vi điều khiển 8751: Chíp 8751 chỉ có 4KB bộ nhớ UV-EPROM trên chíp. Sử dụng chíp này để phát triển yêu cầu truy nhập đến một bộ đốt PROM cũng như bộ xoá UV- EPROM để xoá nội dung của bộ nhớ UV-EPROM bên trong trước khi ta có thể lập trình lại nó. Do một thực tế là ROM trên chíp đối với 8751 là UV-EPROM nên cần phải mất 20 phút để xoá đi trước khi nó có thể lập trình trở lại. - Bộ vi điều khiển AT89C51: Chíp 8951 có ROM trên chíp ở dạng bộ nhớ Flash. Điều này là lý tưởng đối với những phát triển nhanh vì bộ nhớ Flash có thể được xoá trong vài giây trong tương quan so với 20 phút hoặc hơn mà 8751 yêu cầu. Vì lý do này mà AT89C51 dùng để phát triển một hệ thống dựa trên bộ vi điều khiển yêu cầu một bộ đốt ROM mà có hổ trợ bộ nhớ Flash. Tuy nhiên lại không yêu cầu xoá ROM. Hình 2. Các phiên bản của 8051 từ Atmel ( Flash Rom) Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 6 GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH II. Các thành phần của mạch đồng hồ điện tử 2.1. Vi điều khiển AT89S52 2.1.1. Tổng quan về vi điều khiển AT89S52 AT89S52 là một vi điều khiển 8 bit họ CMOS có công suất thấp, hiệu suất cao với 8k bytes bộ nhớ Flash có thể lập trình trong hệ thống. Cấu trúc ở dạng sơ đồ khối tổng quát:  Cấu trúc bus Bus địa chỉ của họ vi điều khiển 8051 gồm 16 dường tín hiệu ( thường gọi là bus địa chỉ 16 bit ). Với số lượng bít địa chỉ như trên, không gian nhớ của chip được mở rộng tối đa 65536 địa chỉ. Bus dữ liệu của họ vi điều khiển 8051 gồm 8 đường tín hiệu ( thường gọi là bus dữ liệu 8 bit ) vì thế 8051 là họ vi điều khiển 8 bit. Với độ rộng của bus dữ liệu như vậy,các chip của họ 8051 có thể xử lý các nguồn dữ liệu 8 bit trog một chu kỳlệnh, nếu lớn hơn 8 bít thì dc chia thành nhiều dữ liệu 8 bit để xử lý. Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 7 GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH  CPU ( Central Processing Unit ) CPU là đơn vị xử lý trung tâm, đó là bộ não của toàn bộ hệ thống vi điện tử được tích hợp trên chip vi điều khiển. CPU ca cấu tạo chính làmột đơn vị xử lý số học và logic ALU ( Arithmethic Logic Unit ) là nơithực hiện tất cả các phép toán số học và phép logic cho quá trình xử lý.  Bộ nhớ chương trình ( Program Memory ) Không gian bộ nhớ chương trình của AT89 là 64K , tuy nhiên hầu hết các vi điều khiển AT89 trên thị trường chỉ tích hợp sẵn trên chip mộtlượng bộ nhớ chương trình nhất định và chiếm dải địa chỉ từ 0000h trở đi. AT89s52 có 4k bộ nhớ chương trình loại Flash tích hợp sẵn bên trong chip. Đây là bộ nhớ cho phép ghi/xóa nhiều lần. Bộ nhớ chương trình được dùng để chứa mã chương trình nạp vào chip. Mỗi lệnh được mã hóa bởi một hoặc vài byte, dung lượng của bộ nhớ chương trình phản ánh số lượng lệnh mà bộ nhớ có thể chứa được. bộ nhớ đầu tiên của bộ nhớ chương trình là 0x0000 chính là địa chỉ RESET của 8051. Ngay sau khi reset (do tắt/bật nguồn, do mức điện áp tại chân reset bị kéo lên 5V …), CPU sẽ chảy đến thực hiện lệnh dặt tại địa chỉ này trước tiên, luôn luôn là như vậy, phần còn trống trong không gian chương trình không được d ù n g . N ế u m u ố n m ở r ộ n g b ộ n h ớ c h ư ơ n g t r ì n h t a p h ả i d ù n g b ộ nh ớ ngoài. Khi dùng bộ nhớ ngoài thì bộ nhớ trong của chip sẽ không được dùng nữa và nó chiếm dải địa chỉ ngay từ 0x0000. Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 8 GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH  Bộ nhớ dữ liệu ( Data Memory ) 8051 có bộ nhớ dữ liệu là 64k địa chỉ, đó cũng là dung lượng bộ nhớ dữ liệu lớn nhất trong họ 8051. Đây chính là nơi chứa các biến trung gian trong quá trình chip hoạt động. Đối với các chip có bộ nhớ SRAM 128 byte thì địa chỉ của các byte SRAM này được đánh số từ 00H đến 7FH. Đối với các chip có bộnhớ SRAM 256 byte thì địa chỉ của các byte trong SRAM được đánh sốtừ 00H đến FFh. SRAM có địa chỉ từ 00H – 7FH là vùng RAM thấp vàphần có địa chỉ từ 80H – FFH là vùng RAM cao.  Cổng vào/ra song song (I/O Port) 8051 có 4 cổng vào/ra song song là P0, P1, P2, P3. Tất cả các cổng này đều là cổng vào/ra cả hai chiều 8 bit. Các bit của mỗi cổng là một chân trên chip, như vậy mỗi cổng sẽ có 8 chân trên chip. Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 9 GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH Cổng P0 không có điện trở treo cao bên trong, mạch lái tạo mức cao chỉ có khi sử dụng cổng này với tính năng là bus dồn kênh địa chỉ/dữ liệu. như vậy với chức năng ra thông thường thì P0 là cổng ra còn vớichức năng vào thì P0 là cổng vào cao trở. Nếu muốn sử dụng P0 làmcổng vào/ra thông thường ta phải thêm điện trở bên ngoài. Giá trị điện trở bên ngoài thường là 4k – 10k. Các cổng P1, P2, P3 đều có điện trở bên trong, do đó có thể dùngvới các chức năng cổng vào/ra thông thường mà không cần thêm điện trở ngoài. Thực chất điện trở bên ngoài các FET không phải điện trở tuyến tính thông thường nhưng khả năng tạo dòng ra của mạch lái khi đầu ra ở mức cao ( hoặc khi là đầu vào ) rất nhỏ, chỉ khoảng 100 micro Ampe.  Cổng vào ra nối tiếp ( Serial Port ) Cổng này thường chỉ được sử sụng khi giao tiếp với máy tính hoặc giao tiếp với vi điều khiển khác. Cổng nối tiếp có hai thanh ghi SCON, SBUF và PCON. Thanh ghi PCON không định địa chỉ bit và có bít 7 là SMOD quy định tốc độ truyền của cổng nối tiếp (tốc độ gấp đôi nếu SMOD = 1 và không gấp đôi nếu SMOD=0).  Ngắt ( Interrupt) 8051 chỉ có một số ít các nguồn ngắt hay gọi là nguyên nhân ngắt. Mỗi ngắt có một vector ngắt riêng đó là một địa chỉ cố định nằm trong bộ nhớ chương trình. Khi sảy ra ngắt thì CPU sẽ tự động chuyển đến thực hiện lệnh tại địa chỉ này. Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 10 [...]... điều khiển chọn kênh A, B, C 2.3 LED 7 thanh Nhóm 2 CNTT4_K2 20 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH 2.3.1 Sơ đồ các chân hiển thị 2.3.2 Quy tắc giao tiếp với LED 7 thanh III Nguyên lý làm vi c của mạch đồng hồ điện tử Nhóm 2 CNTT4_K2 21 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH Sơ đồ khối Mạch gồm 5 khối chính: - Khối nguồn - Khối định thời - Khối hiển thị - Khối điều khiển... tương ứng được điều khiển bởi 8051 để hiển thị số 3.4 Khối điều khiển Nhóm 2 CNTT4_K2 25 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH - U2: AT89S52 – là 1 vi điều khiển 8 bit họ 8051 Các chân P1.0, P1.1, P1.2 để điều khiển các led hiển thị giờ, P1.4, P1.5, P1.6 điều khiển các led hiển thị ngày P3.0, P3.1 giao tiếp với DS13 07 P3.2 nhận ngắt từ bàn phím P3.3nhận xung vuông từ DS13 07 Port P2 để quét... CÔNG CẢNH - U3, U4: 74 138 – IC chọn kênh, để chọn đầu ra tương ứng nhằm điều khiển nguồn cho led 7 đoạn, mục đích dùng để quét led, với đầu vào được điều khiển bởi 8051 - Q1 Q14: transistor A1015, dùng để cấp nguồn cho led, được điều khiển bới 74 138 - R3,R5,R7, ,R29: điện trở hạn dòng - R2,R4,R6, ,R28: điện trở hồi tiếp - Led 7 đoạn: là led anode chung, anode được chọn bởi 74 138, các chân đầu vào tương... 27 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH - Right: sang phải 1 chữ số RST: đưa thời gian về giá trị hiện tại (thoát trạng thái sửa đổi) On/Off Time: tắt hiển thị thời gian On/Off Date: tắt hiển thị ngày tháng C7 C22: tụ lọc nhiễu, kết hợp với U7 chống nảy cho bàn phím U6: 74 08 – IC logic 4 cổng AND, để xác định 1 phím được bấm Chân này được đưa về ngắt INT0 của 8051 - U7: 74 14 – IC logic... Khối nguồn Nhóm 2 CNTT4_K2 22 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH - J1: jack nguồn BR1: diode cầu, để chỉnh lưu điện áp đầu vào U1: 78 05 – IC ổn áp với điện áp ra 5VDC, điện áp vào từ 6-35VDC C1: tụ lọc đầu vào U1 C2, C3: tụ lọc đầu ra U1 D1: đèn báo nguồn R31: điện trở hạn dòng cho D1 3.2 Khối định thời Nhóm 2 CNTT4_K2 23 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH - U3: DS13 07. .. ngắt Các bit P3.0 và P3.1 được dùng cho các tín hiệu nhận và phát dữ liệu trong truyền thông dữ liệu nối tiếp Các bit P3.2 và P3.3 được dùng cho các ngắt Nhóm 2 CNTT4_K2 17 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH ngoài Các bit P3.4 và P3.5 được dùng cho các bộ định thêm 0 và 1 Các bit P3.6 và P3 .7 được cấp cho tín hiệu ghi và đọc các bộ nhớ ngoài được nói tới trong các chíp không có bộ nhớ... chân Vi xử lý AT89S52 có 40 chân thì có 32 chân dành cho các cổng P0, P1, P2 và P3 với mỗi cổng có 8 chân Các chân còn lại được dành cho nguồn Vcc, đất GND, các chân giao động XTAL1 và XTAL2, tái lập RST, cho phép chốt địa chỉ ALE, truy cập được địa chỉ ngoài EA , cho phép cất chương trình PSEN - Chân Vcc: Chân số 40 là Vcc cấp điện áp nguồn cho chíp Nguồn điện áp là 5V Nhóm 2 CNTT4_K2 14 MẠCH ĐỒNG HỒ... if(num7) {num7=0; update (7) ; sel++;} else if(num8) {num8=0; update(8); sel++;} else if(num9) {num9=0; update(9); sel++;} C KẾT LUẬN Trên đây là toàn bộ nguyên lý hoạt động và sơ đồ cấu tạo của chiếc đồng hồ điện tử Tuy nhiên do thời gian và năng lực còn hạn chế nên nhóm làm báo cáo chưa thể tìm hiểu được hết về các chức năng của từng linh kiện trong mạch Mong thầy thông cảm Qua vi c thiết kế mạch đồng hồ. .. ROM trên chíp 2.2 IC 74 LS138 Đây là bộ giải mã 3 bit thành 8 đường loại vi mạch hay mạch có 3 ngõ vào và 8 ngõ ra, còn được gọi là mạch giải mã nhị phân sang octal (binary to octal decoder) , với ngõ ra tích cực ở mức 1, 74 LS138 có công dụng dịch bit logic 0 từ trên xuống và từ dưới lên theo mã BCD Nó hay được dùng để hỗ trợ quét - Bảng chân trị: Nhóm 2 CNTT4_K2 18 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ GVHD: Thầy giáo... Sơ đồ nguyên lý Nhóm 2 CNTT4_K2 19 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH G1: là chân điều khiển đuợc dùng làm đường vào của dữ liệu (luôn ở mức 1) G2A, G2B: là hai tín hiệu điều khiển có chức năng cho phép dữ liệu thông hay không thông ( cho phép thông khi G2A, G2B đồng thời ở mức tích cực thấp tức là mức 0 )Các chỉ số từ 0, 1, 2, 3 …, 7 của các kênh ra tương ứng với tổ hợp các bít nhị . trúc chính của đồng hồ điện tử bao gồm bộ vi xử lý AT89S52 kết hợp với các IC giải mã 74 LS138, hiển thị bằng LED 7 thanh với nguồn cung cấp là 5V. Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 3 GVHD: Thầy. tìm hiểu về bộ vi xử lý, cũng như các ứng dụng của nó trong các hệ vi xử lý. Với những gì nghiên cứu được, nhóm chúng em đã làm thực hành ứng dụng thông qua vi c thiết kế đồng hồ điện tử. Cấu trúc. để xử lý. Nhóm 2 CNTT4_K2 MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ 7 GVHD: Thầy giáo PHẠM CÔNG CẢNH  CPU ( Central Processing Unit ) CPU là đơn vị xử lý trung tâm, đó là bộ não của toàn bộ hệ thống vi điện tử được