Đồ án Nghiên cứu về mạch đếm sản phẩm (bộ môn Công nghệ kĩ thuật số )

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- …………ngày ……..tháng ……..năm 2011 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐIỂM --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------- …………ngày ……..tháng ……..năm 2011 Giáo viên phản biện Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số đã trở thành quen thuộc với nhiều người, bởi vì sự phát triển của ngành kỹ thuật số này đã có ảnh hưởng rất lớn đến ngành kinh tế toàn cầu. Có người đã nêu lên ý tưởng gọi nền kinh tế của thời đại chúng ta là “ nền kinh tế kỹ thuật số “, “số hóa” đã gần như vượt khỏi ranh giới của một thuật ngữ kỹ thuật . Nhờ có ưu điểm của xử lý số như độ tin cậy trong truyền dẫn, tính đa thích nghi và kinh tế của nhiều phần mềm khác nhau, tính tiện lợi trong điều khiển và khai thác mạng. Số hóa đang là xu hướng phát triển tất yếu của nhiều lĩnh vực kỹ thuật và kinh tế khác nhau. Không chỉ trong lĩnh vục thông tin liên lạc và tin học. Ngày nay, kỹ thật số đã và đang thâm nhập mạnh mẽ vào Kỹ thuật điện tử, Điều khiển tự động, phát thanh truyền hình, y tế, nông nghiệp…và ngay cả trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình. Ngay từ những ngày đầu khai sinh, kỹ thuật số nói riêng và ngành điện tử nói chung đã tạo ra nhiều bước đột phá mới mẻ cho các ngành kinh tế khác và còn đảm bảo được yêu cầu của người dùng cả về chất lượng và dịch vụ. Đồng thời kiến thức về kỹ thuật số là không thể thiếu đối với mỗi sinh viên, nhất là sinh viên điện tử. Công nghệ kĩ thuật số có nhiều ứng dụng rộng rãi trong thực tế, với nhiều những ứng dụng rất tiện ích sử dụng trong kĩ thuật, trong đời sống, trong công nghiệp ở các nhà máy và xí nghiệp sản xuất… và cả những tiện nghi trong ngôi nhà của chúng ta. Một trong những ứng dụng tiện ích của kĩ thuật số đó là chức năng đếm với các mạch đếm như đếm sản phẩm, đếm số người vào phòng, thang máy hay đếm xe ra vào cổng… đó đều là những ứng dụng rất thực tế. Và trong bài đồ án này em đã được nghiên cứu về mạch đếm sản phẩm. Bài báo cáo này được tìm kiếm từ nhiều nguồn khác nhau như: sách báo ,internet… Và do kiến thức còn hạn hẹp, nên trong quá trình thực hiện đồ án em không thể tránh khỏi sai sót và đề tài chưa được phát triển một cách hoàn hảo, mong quý thầy cô trong hội đồng khảo thí bỏ qua và có hướng giúp đỡ để em có thể hoàn chỉnh kiến thức của mình . Em xin chân thành cảm ơn..! CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ I.1 Lí do chọn đề tài: Ngày nay việc nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển vào các lĩnh vực cuộc sống khá phổ biến,điển hình là các loại vi điều khiển họ 8051.Ở trong công nghiệp cũng như trong các lĩnh vực liên quan đếm sản phẩm thì đã phát huy được lợi thế khi sử dụng vi điều khiển,việc đếm sản phẩm đã trở nên đơn giản hơn, giảm bớt được nhiều sức lao động và thời gian.Được sự gợi ý của giáo viên hướng dẫn NGUYỄN MINH QUÂN và qua sự tìm hiểu của các thành viên trong nhóm,nên chúng em đã chọn đề tài nghiên cứu và thiết kế mạch đếm sản phẩm với ứng dụng của họ vi điều khiển 8051.Đây cũng là một cơ hội tốt để ứng dụng những kiến thức của môn VI XỬ LÝ đã học vào thực tế. I.2 Mục tiêu của đề tài Đề tài nhằm mục đích thiết kế và chế tạo thành công mạch đếm sản phẩm sử dụng họ vi điều khiển 8051,số lượng sản phẩm đếm được nhập từ bàn phím,hiện thị kết quả đếm được bằng hệ thống LED 7 thanh và báo hiệu bằng tín hiệu đèn LED. I.3 Vấn đề cần giải quyết +Tìm hiểu các tài liệu liên quan đến các đề tài nghiên cứu, đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc thiết kế chế tạo sản phẩm thực tế. +Thiết kế và chế tạo 1 board mạch gồm các khối: khối xử lí trung tâm dùng họ vi điều khiển 8051,khối cảm biến,khối hiện thị,bàn phím. +Tiến hành viết chương trình phần mềm phối hợp hoạt động các khối dưới sự điều khiển của khối mạch chính chứa IC AT89S52 CHƯƠNG II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ II.1.Cơ sở lý thuyết: II.1.1 Tổng quan về họ vi điều khiển 8051 1. Giới thiệu chung về cấu trúc phần cứng 8051là IC vi điều khiển ,là vi mạch tổng quát của họ MCS-51, linh kiện đầu tiên của họ này được hãng sản xuất Intel đưa ra thị trường . IC 8051 có các đặc trưng được tóm tắt như sau: 4 KB EPROM bên trong. 128 Byte RAM nội. 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit. Giao tiếp nối tiếp. 64 KB vùng nhớ mã ngoài 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại. Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn). 210 vị trí nhớ có thể định vị bit. 4 s cho hoạt động nhân hoặc chia. Hình : Sơ đồ chân của vi điều khiển 8051 Port 0 : Port0 (P0.0-P0.7) có số chân từ 32-39 . Port 0 có 2 chức năng: -Port xuất nhập dữ liệu (P0.0-P0.7) → không sử dụng bộ nhớ ngoài và bus địa chỉ byte thấp và bus dữ liệu đa hợp (AD0-AD7) → có sử dụng bộ nhớ ngoài. -Port0 đóng vai trò xuất nhập dữ liệu thì phải sử dụng các điện trở kéo bên ngoài. Port1: Port1(P1.0-P1.7) có số chân từ 1 -8. Port có chức năng xuất nhập dữ liệu (P1.0-P1.7) →sử dụng hoặc không sử dụng bộ nhớ ngoài Port 2: Port(P2.0-P2.7) có số chân từ 21-28.Port có 2 chức năng :port xuất nhập dữ liệu(p2.0-P2.7) không sử dụng bộ nhớ ngoài và bus địa chỉ cao(A8-A5) có sử dụng bộ nhớ ngoài Port 3: Port 3( P3.0-P3.7) có số chân từ 10-17.Có 2 chức năng: Khi không hoạt động xuất / nhập,các chân của port3 có nhiều chức năng riêng (mỗi chân có chức năng riêng liên quan đến đặc trưng cụ thể của 8051) *Bảng chức năng của port3 và 2 chân của P1.0 , P1.1 của port. Bit Tên Địa chỉ bit Chức năng P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của bit nối tiếp P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của port nối tiếp P3.2 B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0 P3.3 B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1 P3.4 T0 B4H Ngõ vào của bộ định thời /điểm 0 P3.5 T1 B5H Ngõ vào của bộ định thời /điểm1 P3.6 B6H Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu P3.7 B7H Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu P1.0 T2 90H Ngõ vào của bộ định thời /điểm 2 P1.1 T2EX 91H Nạp lại /thu nhận của bộ định thời 2 * Chân PSEN: - PSEN cho phép bộ nhớ chương trình,chân số 29 - là tín hiệu cho phép truy xuất (đọc) bộ nhớ chương trinh (ROM) ngoài - Là mức xuất tích cực ở mức thấp PSEN =0 → trong thời gian CPU tìm - nạp lệnh từ ROM ngoài ,PSEN =1 → CPU sử dụng ROM trong. * Chân ALE : - ALE cho phép chốt địa chỉ,chân số 30 -Là tín hiệu cho phép chốt địa chỉ để thực hiện việc giải đa hợp cho bus địa chỉ byte thấp và byte dữ liệu đa hợp (AD0-AD7). * Chân EA: Là chân truy xuất ngoài - Là tín hiệu cho phép truy xuất ngoài (sử dụng )bộ nhớ chương trình ROM ngoài. - Là tín hiệu nhập tích cực ở mức thấp EA =0 sử dụng chương trình ROM ngoài,AE=1 sử dụng chương trình ROM trong. *Chân XTAL1,XTAL2: tinh thể thạch anh chân số 18,19 -Dùng để nối thạch anh với mạch dao động tạo xung clock bên ngoài cung cấp xung clock cho chíp hoạt động . - XTAL1 Ngõ vào mạch tạo xung clock trong chíp - XTAL2 Ngõ ra mạch tạo xung clock trong chip f =12MHz f tần số danh định Chân RST: thiết lập lại là chân số 9 - Là tín hiệu cho phép thiết lập lại trạng thái ban đầu cho hệ thống - Là tín hiệu nhập tích cực mức cao RST=0 chip 8051 hoạt động bình thường, RTS=1 chip 8051 được thiết lập lại trạng thái ban đầu Chân Vcc, GND: Nguồn cung cấp điện chân số 40-20 -Cung câp nguồn điện cho chip hoạt động - Vcc =+5V±10% và GND=0V 2.Giới thiệu chung về cấu trúc bên trong *Sơ đồ khối bên trong 8051 Hình : sơ đồ cấu trúc bên trong của 8051 *Tổ chức bộ nhớ của 8051 Bộ nhớ bên trong 8051 bao gồm RAM và ROM.RAM bao gồm nhiều thành phần: lưu trữ đa dụng,phần lưu trữ địa chỉ hoá từng bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt. 8051 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard: có những vùng nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu.Chương trình và dữ liệu có thể chứa bên trong 8051 nhưng 8051 vẫn có thể kết nối 64k byte bộ nhớ chương trình và 64k byte bộ nhớ dữ liệu mở rộng. RAM trong 8051 được phân chia như sau: - các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1FH. - RAM địa chỉ hoá từng bít có địa chỉ từ 20H đến 2FH. - RAM đa dụng từ 30H đến 7FH. - Các thanh ghi chức năng đặc biệt từ 80H đến FFH. - Hình : Tổ chức bộ nhớ của 8051 II.1.2 Tìm hiểu IC AT89C51 1.Cấu trúc phần cứng a.Sơ đồ chânAT89C51 P1.0 VCC P1.1 P0.0 P1.2 P0.1 P1.3 P0.2 P1.4 P0.3 P1.5 P0.4 P1.6 P0.5 P1.7 P0.6 RESET P0.7 EA/VP XTAL1 ALE/P XTAL2 PSEN RXD TXD P2.7 INT0 P2.6 INT1 P2.5 T0 P2.4 T1 P2.3 WR P2.2 RD P2.1 GND P2.0 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 9 32 31 18 30 19 29 10 28 11 12 27 13 26 14 25 15 24 16 23 17 22 20 21 1 40 Hình 1: Sơ đồ chân của IC AT89C51 *Sơ đồ khối của AT89C51 Hình 2:Sơ đồ khối AT89C51 b. Chức năng các chân của AT89C51 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. #Các cổng xuất nhập - Port 0: Port 0 là port có 2 chức năng ở các chân 32 - 39 của 8951. Trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường I/O. Đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu. - Port 1: Port 1 là port I/O trên các chân 1-8. Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, p1.2, ... p1.7 có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần. Port 1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị bên ngoài. - Port 2: Port 2 là 1 port có tác dụng kép trên các chân 21- 28 được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng. - Port 3: Port 3 là port có tác dụng kép trên các chân 10-17. Các chân của port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của 8951 như ở bảng sau: Bit Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 RXT Ngõ vào dữ liệu nối tiếp. P3.1 TXD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp. P3.2 INT0\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 0 P3.3 INT1\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 1 P3.4 T0 Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 0 P3.5 T1 Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 1 P3.6 WR\ Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài P3.7 RD\ Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài Bảng 1: Chức năng của các chân của Port 3 # Các ngõ tín hiệu điều khiển - Ngõ tín hiệu PSEN (Program Store Enable): PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng thường được nối đến chân OE\ (Output Enable) của EPROM cho phép đọc các byte mã lệnh. PSEN ở mức thấp trong thời gian Microcontroller 8951 lấy lệnh. Các mã lệnh của chương trình được đọc từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 8951 để giải mã lệnh. Khi 8951 thi hành chương trình trong EPROM nội PSEN sẽ ở mức logic 1. - Ngõ tín hiệu điều khiển ALE (Address Latch Enable): Khi 8951 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, port 0 có chức năng là bus địa chỉ và bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ. Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt. Tín hiệu ra ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là địa chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động. Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống. Chân ALE được dùng làm ngõ vào xung lập trình cho EPROM trong 8951. - Ngõ tín hiệu EA\(External Access): Tín hiệu vào EA\ ở chân 31 thường được mắc lên mức 1 hoặc mức 0. Nếu ở mức 1, 8951 thi hành chương trình từ EPROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 4 Kbyte. Nếu ở mức 0, 8951 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng. Chân EA\ được lấy làm chân cấp nguồn 12V khi lập trình cho EPROM trong 8951. - Ngõ tín hiệu RST (Reset): 1 2 Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset của 8951. Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên cao ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống. Khi cấp điện mạch tự động Reset. V C C 3 4 C 6 1 0 4  P R 1 1 0 0 + C 3 1 0 u F R E S E T R 2 1 0 K Hình 3: Mạch Reset hệ thống Trạng thái của tất cả các thanh ghi của 8051 sau khi reset hệ thống được tóm tắt trong bảng sau: Thanh ghi Nội dung Thanh ghi Nội dung Đếm chương trình 0000H IP XXX00000B Tích lũy 00H IE 0XX00000B B 00H Các thanh ghi định thời 00H PSW 00H SCON 00H SP 07H SBUF 00H DPTR 0000H PCON(HMOS) 0XXXXXXXB Port 0-3 FFH PCON(CMOS) 0XXX0000B Bảng 2: Trạng thái các thanh ghi sau khi Reset Quan trọng nhất trong các thanh ghi trên là thanh ghi đếm chương trình, nó được đặt lại 0000H. Khi RST trở lại mức thấp, việc thi hành chương trình luôn bắt đầu ở địa chỉ đầu tiên trong bộ nhớ trong chương trình: địa chỉ 0000H. Nội dung của RAM trên chip không bị thay đổi bởi lệnh reset. Các ngõ vào bộ dao động X1,X2: Bộ dao động được được tích hợp bên trong 8951, khi sử dụng 8951 người thiết kế chỉ cần kết nối thêm thạch anh và các tụ. Tần số thạch anh thường sử dụng cho 8951 là 12Mhz. Chân 40 (Vcc) được nối lên nguồn 5V. 2.Cấu trúc bên trong a. Tổ chức bộ nhớ (Organizational memory) Bộ nhớ trong 8951 bao gồm EPROM và RAM. RAM trong 8951 bao gồm nhiều thành phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt. Họ 8951 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard: có những vùng bộ nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu. Chương trình và dữ liệu có thể chứa bên trong 8951 nhưng 8951 vẫn có thể kết nối với 64K byte bộ nhớ chương trình và 64K byte dữ liệu. * Bản đồ bộ nhớ Data trên chip như sau: Hình 5:Bản đồ bộ nhớ Data trên chip AT89C51 Hai đặc tính cần chú ý là: - Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được định vị (xác định) trong bộ nhớ và có thể truy xuất trực tiếp giống như các địa chỉ bộ nhớ khác. - Ngăn xếp bên trong Ram nội nhỏ hơn so với Ram ngoại như trong các bộ Microcontroller khác. *RAM bên trong AT89S52 được phân chia như sau: 1 Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1FH. 2 RAM địa chỉ hóa từng bit có địa chỉ từ 20H đến 2FH. 3 RAM đa dụng từ 30H đến 7FH. + Vùng RAM đa dụng: Từ hình vẽ cho thấy 80 byte đa dụng chiếm các địa chỉ từ 30H đến 7FH, 32 byte dưới từ 00H đến 1FH cũng có thể dùng với mục đích tương tự (mặc dù các địa chỉ này đã có mục đích khác). Mọi địa chỉ trong vùng RAM đa dụng đều có thể truy xuất tự do dùng kiểu địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp. + RAM có thể truy xuất từng bit: AT89C51 chứa 210 bit được địa chỉ hóa, trong đó có 128 bit có chứa các byte chứa các địa chỉ từ 20H đến 2FH và các bit còn lại chứa trong nhóm thanh ghi có chức năng đặc biệt. Ý tưởng truy xuất từng bit bằng phần mềm là các đặc tính mạnh của microcontroller xử lý chung. Các bit có thể được đặt, xóa, AND, OR, … , với 1 lệnh đơn. Đa số các microcontroller xử lý đòi hỏi một chuỗi lệnh đọc - sửa - ghi để đạt được mục đích tương tự. Ngoài ra các port cũng có thể truy xuất được từng bit. 128 bit có chứa các byte có địa chỉ từ 00H -1FH cũng có thể truy xuất như các byte hoặc các bit phụ thuộc vào lệnh được dùng. + Các bank thanh ghi : 32 byte thấp của bộ nhớ nội được dành cho các bank thanh ghi. Bộ lệnh 89S52 hổ trợ 8 thanh ghi có tên là R0 - R7 và theo mặc định sau khi reset hệ