Đồ án Thiết kế lịch vạn niên điện tử

1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .........................................................................................................5 TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN. ..............................................................................6 Chương 1: Giới thiệu qua về tình hình phát triển khoa học và công nghệ điện tử trên thực tế, sự phát triển phần cứng song song với phần mềm đã đem lại hiệu quả to lớn trong cuộc sống con người. .........................................................................6 Chương 2: Thiết kế phần cứng. .............................................................................6 Chương 3: Xây dựng phần mềm, lập trình cho hệ thống. .......................................6 Chương 4: Cài đặt và hoàn thiện hệ thống. ............................................................6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN. ...................................................................................7 1.1 Đặt vấn đề. ......................................................................................................7 1.2. Khảo sát vấn đề: .............................................................................................7 1.3. Các vấn đề cần giải quyết của bài toán : .........................................................8 1.4. Giải pháp: .......................................................................................................8 1.5. Mục đích đề tài. ..............................................................................................8 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG PHẦN CỨNG. ... Error! Bookmark not defined. 2.1. CÁC YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG. ..............................................................9 2.2. HƯỚNG XÂY DỰNG HỆ THÔNG. .............................................................9 2.3. SƠ ĐỒ KHỐI. .............................................................................................. 10 2.3.1. Sơ đồ khối tổng quan.............................................................................. 10 2.3.2.1. Khối tạo xung dao động. ................................................................ 11 2.3.2.1.1. Khối tạo xung dao động cho vi điều khiển 89S52. ..................... 11 2 2.3.2.1.2. Giao tiếp DS 1307 với khối giao động. .................................... 12 2.3.2.3. Khối hiển thị .................................................................................. 13 2.3.2.4. Khối điều chỉnh. ............................................................................. 14 2.4. SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ. .................................................................... 15 Sơ đồ nguyên lý của mạch như sau................................................................... 15 Hình 2.6 Sơ đồ mạch nguyên lý ........................................................................... 16 2.5. CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH. .......................................... 16 2.5.1.Giới thiệu về vi điều khiển 89S52 ........................................................... 16 2.5.1.1. Tổng Quan Về 89S52. ...................................................................... 16 2.5.1.2. Mô tả chân 89S52. .......................................................................... 19 2.5.1.2.1. Sơ đồ chân 89S52. .................................................................... 19 2.5.1.2.2. Chức năng các chân 89S52..................................................... 19 2.5.1.2.3. Tổ chức bộ nhớ bên trong 89S52. ............................................. 22 2.5.1.2.4. RAM đa dụng. .......................................................................... 24 2.5.1.2.5. RAM có thể định địa chỉ bit. ..................................................... 24 2.5.1.2.6. Các bank thanh ghi.................................................................... 24 2.5.1.2.7. Các thanh ghi có chức năng đặc biệt. ........................................ 25 2.5.1.2.7.1. Thanh ghi trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word)..................................................................................................... 25 2.5.1.2.7.2. Thanh ghi TIMER. .............................................................. 27 2.5.1.2.7.3. Thanh ghi ngắt (INTERRUPT). ........................................... 28 2.5.2. Giới thiệu về IC DS 1307. ..................................................................... 32 2.5.2.1. Tổng quan về DS1307. .................................................................... 32 2.5.2.1.1. Sơ đồ chân DS1307................................................................... 32 3 2.5.2.1.2. Cấu tạo bên trong DS1307. ....................................................... 34 2.5.2.2. Khái quát giao diện I2C. ................................................................. 38 2.5.2.3. Mode (chế độ) truyền dữ liệu giữa DS1307 và AT89S52. ................ 42 2.5.2.3.1. Mode Data Write (chế độ ghi dữ liệu). ...................................... 42 2.5.2.3.2. Mode Data Read (chế độ dọc dữ liệu). ...................................... 44 2.5.3. CÁC LINH LIỆN KHÁC SỬ DỤNG TRONG MẠCH. ......................... 45 2.5.3.1 Điện trở. .......................................................................................... 45 2.5.3.2 Tụ điện. ............................................................................................ 46 2.5.3.3 Led 7 đoạn. ...................................................................................... 46 2.5.3.3.1. Khái niệm cơ bản. ..................................................................... 46 2.5.3.3.2. Kết nối với vi điều khiển. ........................................................... 48 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG. .................. 52 3.1. LƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH........................................................... 52 3.2. LƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CON. .............................................................. 54 3.2.1. Lưu đồ chương trình con “WRITE_CLOCK”. ....................................... 54 3.2.3. Lưu đồ chương trình con “ READ_CLOCK”. ........................................ 55 3.2.4. Lưu đồ chương trình con ghi 1 byte vào DS1307“SEND_BYTE”. ......... 56 3.2.5. Lưu đồ chương trình con đọc 1 byte từ DS1307“READ_BYTE”. .......... 57 3.2.6. Lưu đồ chương trình con “ALARM_CLOCK_TEST”............................ 58 3.2.7. Lưu đồ chương trình con “HIEU_UNG_CHINH”. ................................. 59 3.2.8. Lưu đồ chương trình con “TAT_MO_CHUONG”.................................. 60 3.2.9. Lưu đồ chương trình con “HIENTHI”. ................................................... 61 3.4. PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN. ..................................... 62 4 3.4.1. Định hướng sử dụng ngôn ngữ lập trình. ................................................ 62 3.4.2.1. Các lệnh số học. ............................................................................... 62 3.4.2.2. Các lệnh logic. ................................................................................. 64 3.4.2.3. Các lệnh di chuyển dữ liệu. .............................................................. 65 3.4.2.4. Các lệnh xử lý bit. ............................................................................ 66 3.4.2.5. Các lệnh rẽ nhánh. ........................................................................... 67 3.4.2.6. Các lệnh dịch và quay. ..................................................................... 68 3.4.2.7. Các lệnh làm việc với ngăn xếp. ....................................................... 69 CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT VÀ HOÀN THIỆN HỆ THỐNG. ..................................... 70 4.1. PHẦN MỀM BIÊN DỊCH CHƯƠNG TRÌNH. ............................................ 70 4.1.1. Các bước cài đặt phần mềm Keli C. ....................................................... 70 4.1.2. Lập trình ASM với Keil: ........................................................................ 79 4.2. MÔ PHỎNG TRÊN PROTUERS. ................................................................ 83 4.4. MÔ HÌNH MẠCH THỰC TẾ. ..................................................................... 85 4.5. KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ. ....................................................................... 87 4.5.1 Ưu Điểm. ............................................................................................... 87 4.5.2 Khuyết Điểm. ......................................................................................... 87 4.5.3 Hướng Phát Triển. .................................................................................. 87 4.5.4 Kết Luận. ............................................................................................... 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 88 5 LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Trong lĩnh vực điều khiển, từ khi công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ thuật điều khiển hiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạch điều khiển lắp ráp bằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ. Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ báo giờ... đã giúp cho đời sống cuả chúng ta ngày càng hiện đại và tiện nghi hơn. Đề tài “Thiết kế lịch vạn niên điện tử” Nhằm đáp ứng nhu cầu ham muốn học hỏi của bản thân, cũng như là góp phần nâng giá trị của những mạch điện tử trong đời sống của con người. Đề tài “Thiết kế lịch vạn niên điện tử” rất đa dạng và phong phú, có nhiều loại hình khác nhau dựa vào công dụng và độ phức tạp. Do tài liệu tham khảo bằng Tiếng Việt còn hạn chế, trình độ có hạn và kinh nghiệm trong thực tế còn non kém, nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân thành của các thầy cô cũng như của các bạn sinh viên. 6 TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Chương 1: Giới thiệu qua về tình hình phát triển khoa học và công nghệ điện tử trên thực tế, sự phát triển phần cứng song song với phần mềm đã đem lại hiệu quả to lớn trong cuộc sống con người. - Nguyên nhân chọn đề tài. - Mục đích đề tài. - Khảo sát bài toán. - Các vấn đề cần giải quyết của bài toán. - Đưa ra giải pháp. Chương 2: Thiết kế phần cứng. - Mô tả chức năng mong muốn của đồ án. - Hướng xây dựng đồ án. - Sơ đồ khối . - Sơ đồ mạch nguyên lý. - Các linh kiện cần sử dụng trong mạch. Chương 3: Xây dựng phần mềm, lập trình cho hệ thống. - Lưu đồ chương trình chính. - Lưu đồ chương trình con. - Phần mềm lập trình cho hệ thống. Chương 4: Cài đặt và hoàn thiện hệ thống. - Mô phỏng hệ thống trên protuers. - Triển khai mạch thực tế. - Kiểm tra và đánh giá. 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đã, đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội. Việc gia công, xử lý các tín hiệu điện tử hiện đại đều dựa trên cơ sở nguyên lý số. Vì các thiết bị làm việc dựa trên cơ sở nguyên lý số có ưu điểm hơn hẳn so với các thiết bị làm việc dưạ trên cơ sở nguyên lý tương tự, đặc biệt là trong kỹ thuật tính toán. Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử đã cho ra đời nhiều vi mạch số cỡ lớn với giá thành rẻ và khả năng lập trình cao đã mang lại những thay đổi lớn trong ngành điện tử. Mạch số ở những mức độ khác nhau đã đang thâm nhập trong các lĩnh vực điện tử thông dụng và chuyên nghiệp một cách nhanh chóng. Các trường kỹ thuật là nơi mạch số thâm nhập mạnh mẽ và được học sinh, sinh viên ưa chuộng do lợi ích và tính khả thi của nó. Vì thế sự hiểu biết sâu sắc về kỹ thuật số là không thể thiếu đối với sinh viên ngành điện tử hiện nay. Nhu cầu hiểu biết về kỹ thuật số không chỉ riêng đối với những người theo chuyên ngành điện tử mà còn đối với những cán bộ kỹ thuật khác có sử dụng thiết bị điện tử. 1.2. Khảo sát vấn đề Hiện nay, những ứng dụng của phần cứng được sử dụng ngày càng nhiều và phổ biến, đảo qua các con phố chúng ta có thể nhìn thấy những bảng quảng cáo có sử dụng đèn led hoặc sử dụng vi xử lý để hiển thị thời gian hay nhiệt độ. Chúng trông khá đẹp mắt và tiện lợi. Trong đồ dùng gia đình cũng có rất nhiều đồ điện tử mang tính tự động như: ti vi, máy vi tính… Đề tài em chọn xuất phát từ ý tưởng sử dụng IC DS1307 thời gian thực, cùng với việc mọi người cần phải biết chính xác ngày, giờ để thu xếp việc làm cho hợp lý. Với ý tưởng này, em đã kết hợp lý thuyết và thực tế để làm đồ án về “ thiết kế lịch vạn niên điện tử” 8 1.3. Các vấn đề cần giải quyết của bài toán Bài toán xây dựng thiết kế lịch vạn niên điện tử đặt ra các yêu cầu sau: - Lập trình thời gian thực cho AT 89S52 rồi từ đó áp dụng cho ứng dụng. - Đảm bảo hiển thị đúng thời gian ngày tháng năm, giờ phút giây. - Có khả năng phát triển và mở rộng vào các ứng dụng khác trong thực tế. Có độ bền cao. Hệ thống chạy ổn định và giá cả hợp lý. 1.4. Giải pháp Giải pháp đưa ra để đáp ứng yêu cầu bài toán: - Sử dụng vi điều khiển AT 89S52. - Sử dụng chíp thời gian thực DS 1307. - Xây dựng chương trình phần mềm điều khiển. - Lập trình cho nút bấm để tăng giảm giờ, phút. 1.5. Mục đích đề tài Sự cần thiết, quan trọng cũng như tính khả thi và lợi ích của mạch số cũng chính là lý do để em chọn và thực hiện đồ án “Thiết kế lich vạn niên điện tử” nhằm ứng dụng kiến thức đã học vào thực tế. Sử dụng một con IC thời gian thực (DS1307) kết hợp với vi điều khiển 89S52 , 89S52 có nhiệm vụ đọc/ghi (giờ, phút, giây, thứ, ngày…..thời gian báo thức) từ chip DS1307. Khi thời gian báo thức trùng với thời gian thực thì loa sẽ phát ra âm thanh trong 20 giây. Hiển thị ngày tháng năm, giờ phút giây đề trên led 7 thanh. Mục đích yêu cầu của đề tài như sau:  Mạch hiển thị giờ, phút, giây, thứ, ngày, tháng, năm một cách chính xác  Khi thời gian báo thức trùng với thời gian thực thì loa phải phát ra âm thanh báo thức. 9 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG PHẦN CỨNG 2.1. CÁC YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG Với ý tưởng xây dựng một đồng hồ báo thức kết hợp với lịch điện tử. Em đã xây dựng bài đồ án “lịch vạn niên điện tử”. Bài đồ án là kết quả của quá trình học tâp trên giảng đường với sự hướng dẫn của thầy cô giáo cùng với việc khảo sát nhu cầu thực tế cũng như ứng dụng của các vi điều khiển trong cuộc sống. Việc xây dựng hệ thống “lịch vạn niên điện tử” với các tính năng mong muốn: -Chức năng: Hiển thị được thứ ngày tháng năm, giờ phút giây trên led 7 đoạn. Có hệ thống chuông báo thức. Có các nút điều chỉ thời gian cũng như chuông báo giờ. -Giao diện: Mạch phải nhỏ gọn, dễ nhìn, dễ sử dụng. - Hoạt động: Bền, chạy ổn định, sai số thời gian thấp. - Tính thực tế: Mạch có ứng dụng cao ngoài cuộc sống, có thể mang ra ứng dụng lắp đặt ngoài thực tế, giá thì lắp mạch rẻ, phù hợp. 2.2. HƯỚNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG Từ các yêu cầu của hệ thống như đã nên trên. Có rất nhiều giải pháp khác nhau để xây dựng thành công hệ thống” lịch vạn niên điện tử”. Từ việc mua các linh kiện, sử dụng vi điều khiển nào cho việc lập trình đến sử dụng chip thời gian thực nào để đo thời gian. Mỗi loại lại có một phương pháp xây dựng và cách làm khác nhau. Qua một quá trình tìm hiểu và nghiên cứu em đã đưa ra được phương pháp lựa chọn tối ưu cho bài đồ án “ lịch vạn niên điện tử”: - Sử dụng vi điều khiển 89S52 làm vi điều khiển đê lập trình. -Sử dụng chip thời gian thực DS1307 để đo và đếm thời gian. -Sử dụng các đèn led 7 đoạn để hiển thị thời gian. Sau đây là quá trình xây dựng bài đồ án “ lịch vạn niên điện tử ”. 10 2.3. SƠ ĐỒ KHỐI 2.3.1. Sơ đồ khối tổng quan * Vi điều khiển 89S52: Xử lý toàn bộ mọi công việc xuất nhập thời gian, hiển thị thời gian, cài đặt hệt thống báo thức. Khối xử lý gồm có vi điều khiển 89S52. * Khối thời gian thực: Dùng cho việc đếm thời gian thực, nhập xuất thời gian thực: thứ ngày tháng năm, giờ phút giây. Khối thời gian thực gồm có chip thời gian thực DS 1307. * Khối hiển thị: Dùng để hiển thị thời gian, hiển thị: thứ ngày tháng năm, giờ phút giây và hẹn thời gian báo thứ. Khối hiển thị dùng led 7 đoạn. * Khối điều chỉnh: Dùng để điều chỉnh thời gian, điều chỉnh giờ báo thức. Khối điều chỉnh gồm 3 nút bấm được nối trực tiếp với vi điều khiển 89S52. * Khối tạo xung dao động: Dùng để tạo xung dao động cho vi điều khiển 89S52 và tạo xung dao động cho chip thời gian thực DS1307. KHỐI THỜI GIAN THỰC KHỐI ĐIỀU CHỈNH VI ĐIỀU KHIỂN 89S52 KHỐI HIỂN THỊ KHỐI TẠO XUNG DAO ĐỘNG KHỐI TẠO XUNG DAO ĐỘNG Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quan 11 2.3.2.1. Khối tạo xung dao động 2.3.2.1.1. Khối tạo xung dao động cho vi điều khiển 89S52 Sử dụng khối tạo xung dao động bằng thạch anh. Đây chính là nguồn cung cấp xung đồng hồ cho vi điều khiển 89S52 và IC thời gian thực DS 1307. Hai chân XTAL1 (chân 19) và XTAL2 (chân 18) ở vi điều khiển 89S52 được mắc với mạch dao động thạch anh bên ngoài. Các điện trở C1 và C2 là cần thiết khi mắc mạch dao động thạch anh cho 89S52. Sơ đồ mạch như sau : Hình 2.2. Sơ đồ khối tạo giao động cho 89S52 12 2.3.2.1.2. Giao tiếp DS 1307 với khối giao động Hình 2.3 Sơ đồ khối tạo xung dao động cho DS1307 IC thời gian thực DS 1307 kết nối với khối tạo xung dạo động qua 2 chân X1 và X2 như hình vẽ: 13 2.3.2.3. Khối hiển thị Giao tiếp vi đều khiển với led 7 đoạn Hình 2.4 Sơ đồ giao tiếp vi điều khiển với led 7 đoạn Vi điều khiển 89S52 giao tiếp với led 7 đoạn theo kiểu truyền nối tiếp. Sử dụng tất cả các chân 89S52 xuất ra led 7 đoạn. Thông qua trở băng. 14 2.3.2.4. Khối điều chỉnh Hình 2.5 Khối điều chỉnh Sử dụng các chân P1.6, P1.7 và P7.0 của vi điều khiển 89S52 để tạo nút bấm với các chứa năng sau: SET: Chuyển sang chế độ điều chỉnh ngày tháng năm, giờ phút, thứ. DOWN: Điều chỉnh giảm. UP/AL: Điều chỉnh tăng. UP/AL: Còn có chức năng chuyển sang chế độ điều chỉnh hẹn giờ. 15 2.4. SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ Sơ đồ nguyên lý của mạch như sau. 16 Hình 2.6 Sơ đồ mạch nguyên lý 2.5. CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH 2.5.1.Giới thiệu về vi điều khiển 89S52 2.5.1.1. Tổng Quan Về 89S52 AT89S52 là họ IC vi điều khiển do hãng Intel sản xuất. Các sản phẩm AT89S52 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển. Việc xử lý trên byte và các toán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội. Tập lệnh cung cấp một bảng tiện dụng của những lệnh số học 8 bit gồm cả lệnh nhân và lệnh chia. Nó cung cấp những hổ trợ mở rộng trên chip dùng cho những biến một bit như là kiểu dữ liệu riêng biệt cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều khiển. AT89S52 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 8 KByte bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 3 17 TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếp bán song công, 1 mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động ON-CHIP. Các đặc điểm của chip AT89S52 được tóm tắt như sau:  8 KByte bộ nhớ có thể lập trình nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi/xoá  Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz  3 mức khóa bộ nhớ lập trình  3 bộ Timer/counter 16 Bit  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.  4 s cho hoạt động nhân hoặc chia 18 Hình 2.7 Sơ đồ khối của AT89S52 19 A T8 9S 52 2.5.1.2. Mô tả chân 89S52 2.5.1.2.1. Sơ đồ chân 89S52 Mặc dù các thành viên của họ 8051(ví dụ 8751, 89S52, 89C51, DS5000) đều có các ki