Đồ án Thiết kế mạch thu thập số liệu 8 kênh sử dụng họ vi điều khiển MCS – 51

Đề tài: Thiết kế mạch thu thập số liệu 8 kênh sử dụng họ vi điều khiển MCS – 51 Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi - *** - Céng hoµ x· héi chñ nghÜa viÖt nam §éc lËp - Tù do - H¹nh phóc ------------------ NHIỆM VÔ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ và tên ………………………………………………………………………………………………………. Khoá ………………………….. Khoa………………………………………………………………………... Ngành học……………………………………………………………………………………………………… 1. Đầu đề thiết kế: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2. Các số liệu ban đầu : ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3. Nội dung thuyết minh và tính toán: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4. Các bản vẽ đồ thị ( ghi rõ các loại bản vẽ về kÝch thước các bản vẽ): ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 5. Cán bộ hướng dẫn: Phần Họ tên cán bộ. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế ……………………………………………………………………….. 7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ ……………………………………………………………………… Ngµy……… th¸ng……… n¨m Chñ nhiÖm bé m«n (Ký, Ghi râ hä tªn) C¸n bé h­íng dÉn (Ký, Ghi râ hä tªn) Häc sinh ®· hoµn thµnh (vµ nép toµn bé b¶n thiÕt kÕ cho Khoa) Ngµy th¸ng n¨m (Ký, Ghi râ hä tªn) Lời nói đầu Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật đặc biệt là trong ngành điện tử trong việc chế tạo các vi mạch điện tử, mạch vi xử lý đã tạo một bước ngoặt quan trọng đối với sự phát triển của khoa học. Việc phát triển công nghiệp hoá, hiện đại hoá là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu đối với bất kỳ một quốc gia nào trong việc xây dựng và phát triển đất nước. Việc ứng dụng các thiết bị đo và hệ thống đo lường có sử dụng vi điện tử, vi xử lý và máy tính ngày càng có hiệu quả. Có thể tạo ra các hệ thống thông minh từ các bộ mP, mC. Điều này cho phép các kỹ sư đo lường và tin học công nghiệp có trong tay một công cụ mạnh để thu thập và xử lý thông tin, điều khiển tự động các quá trình sản xuất. Một hệ vi xử lý tối đa không có giới hạn về số lượng thành phần, chức năng thực hiện và quy mô ứng dụng. Vấn đề đặt ra đối với một thiết kế là tổ chức phần cứng phải tối thiểu thành phần nhằm tăng tốc độ, giảm giá thành và tăng độ tin cậy. Phải xây dựng được phần mềm điều khiển thật tối ưu nhằm tăng khả năng linh hoạt và mềm dẻo trong xử lý, gia công và biến đổi tín hiệu mà hệ phải thực hiện. Trong thời gian thực tập vừa qua em được giao đề tài "Tính toán thiết kế hệ thu thập số liệu 8 kênh sử dụng họ vi điều khiển và truyền số liệu lên máy tính" Được sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, các cán bộ nơi thực tập và tạo điều kiện thuận lợi của bộ môn cùng với sự nỗ lực của bản thân em đã làm được một số phần của bản đồ án. Em rất mong được sự chỉ dẫn thêm của các thầy để em có thể hoàn thiện bản đồ án này. Nội dung đồ án gồm những phần sau: Phần I: NHIỆM VỤ THƯ Phần II: CƠ SỞ KIẾN THỨC Chương I : các phương pháp đo một số đại lượng không điện Chương II : Họ vi điều khiển MCS – 51 Chương III : Giới thiệu về một số linh kiện cần dùng. PHẦN III : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ. Phần i Nhiệm vụ thư Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc áp dụng những thành tựu khoa học vào trong đời sống và sản xuất ngày càng nhiều. Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp việc tự động hoá các quá trình sản xuất, tự động hoá các thiết bị điều khiển là một vấn đề hết sức quan trọng. Trong các thiết bị tự động muốn điều khiển một quá trình nào đó một cách tối ưu thì nhất thiết phải có các thiết bị đo, chính nhờ các thiết bị đo người ta có thể kiểm soát được các thông số của hệ thống mà từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển nhằm làm cho hệ thống hoạt động ổn định. Trước đây khi ngành vật liệu chưa tìm ra các vật liệu mới, thì các dụng cụ đo thường được làm bằng cơ có độ chính xác không cao, dải đo hẹp, không làm việc được trong các môi trường đòi hỏi độ bền cơ học cao. Khi ngành vật liệu tìm ra được các vật liệu mới, công nghệ chế tạo phát triển đã có thể tạo ra các thiết bị đo thông minh, có độ chính cao, làm việc được trong các môi trường khắc nghiệt như : đo nhiệt độ lò nung, đo nồng độ các chất hoá học, đo áp suất cao …. Nhờ các thiết bị đo thông minh này người ta có thể kiểm soát các thông số của hệ thống một cách chặt chẽ. Khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển việc đo không chỉ là biết giá trị của đại lượng cần đo mà những giá trị này còn là những thông tin cần được lưu trữ và được xử lý. Để cho quá trình thu thập các thông tin đo một cách tự động hiện nay người ta gắn vào các thiết bị đo các bộ vi điều khiển nhằm điều khiển các quá trình đo, xử lý và truyền dữ liệu lên máy tính hoặc đưa sang các hệ thống khác. Theo như yêu cầu của bài toán đặt ra là xây dưng một hệ thống đo, thu thập nhiệt độ trên tua bin của máy phát điện. Với 8 kênh đo nhiệt độ ở những vị trí khác nhau và những dải nhiệt độ khác nhau thì việc sử dụng một bộ vi điều khiển nào để điều khiển trong hệ là một điều cần thiết vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ xử lý của hệ thống. Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như : MCS - 51, 68HC11, PIC, AVR… vì vậy việc lựa chọn một bộ vi điều khiển cho hệ thống cần phải có giá thành rẻ nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu của bài toán tối ưu. Ở đây ta sử dụng bộ vi điều khiển 8051 là đủ để điều khiển hệ thống hoạt động tốt. Trong hệ thống đo ngoài bộ vi điều khiển 8051 ta còn sử dụng các vi mạch điện tử và các thiết bị khác như : Mạch chuyển đổi tương tự - sè 12 bit ICL7109 có độ chính xác cao, mạch giải mã địa chỉ 74LS138, mạch dồn kênh HEF4051, các cổng logic (AND) các phần tử cơ bản (điện trở, điện dung, tinh thể thạch anh), các IC thuật toán, các thiết bị cảm biến, cổng truyền tin theo chuẩn RS232… Từ các thiết bị trên ta có thể xây dựng một hệ đo và thu thập số liệu với phần tử trung tâm là bộ vi điều khiển 8051 để điều khiển hoạt động của cả mạch. Trong hệ thống này mọi hoạt động của hệ đều do bé vi điều khiển quản lý từ việc ra lệnh cho thiết bị đo lấy số liệu đến việc truyền và xử lý các số liệu này Số liệu đo được từ sensor được đưa qua bộ chuẩn hoá để chuẩn hóa tín hiệu. Tín hiệu tương tự này được đưa qua bé chuyển đổi tương tự - sè (ADC) để chuyển đổi thành tín hiệu số và đưa vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ đọc số liệu này, nhân chia số liệu và đưa ra hiển thị trên LED đồng thời gửi số liệu đó lên máy tính để lưu trữ. Phần II Cơ sở kiến thức Chương I các phương pháp đo nhiệt độ I. Khái quát. Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong những đại lượng được quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu sự thay đổi của nó. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết. Đối với việc đo nhiệt độ lại có rất nhiều phương pháp đo khác nhau. Trong đó có một số phương pháp đo chính sau: - Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt độ do dao động nhiệt (Hiệu ứng Doppler) - Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất khí (Với áp suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm. - Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng Seebeck hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh. Người ta thường chia làm 3 dải nhiệt độ đo: nhiệt độ thấp, trung bình và cao. Dải nhiệt độ thấp từ -2730C ¸ 1000 0C . Nó thường được đo bằng các dụng cụ nh­ nhiệt điện trở, bán dẫn, phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân. Dải nhiệt độ trung bình từ 1000 0C ¸ 3000 0C. Nó thường được đo bằng các dụng chụ được chế tạo từ các vật liệu có độ chịu nhiệt cao, hoả quang kế, bức xạ và phương pháp cường độ sáng. Dải nhiệt độ cao từ 3000 0C ¸ 100.000 0C. Đây là dải nhiệt độ đòi hỏi các thiết bị đo phải có độ chịu nhiệt tốt nhưng có độ chính xác chỉ cần tương đối. Thông thường ta dùng hoả quang kế màu sắc và phổ quang kế. Để đo nhiệt độ người ta chia làm 2 loại phương pháp đo: Phương pháp đo tiếp xúc và phương pháp đo không tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc thường dùng với dải nhiệt độ thấp và trung bình còn phương pháp đo không tiếp xúc dùng với dải nhiệt độ cao. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ một số các dụng cụ đo nh­: + cặp nhiệt điện. + Nhiệt điện trở kim loại. + Nhiệt điện trở bán dẫn. + Cảm biến thạch anh. + Các IC cảm biến nhiệt. II. Các phương pháp đo nhiệt độ: a. Cặp nhiệt điện: Cấu tạo: cặp nhiệt điện được cấu tạo từ 2 hai thanh kim loại khác nhau nối chung một đầu lại với nhau. Suất điện động E trên 2 đầu ra phụ thuộc vào bản chất vật liệu của dây dẫn a, b và phụ thuộc vào nhịêt độ t1, t2. t1 t2 b a H×nh1.1: cÆp nhiÖt ®iÖn - Nguyên lý làm việc: Cặp nhiệt điện làm việc dựa trên hiện tượng nhiệt điện. Nếu hai dây dẫn khác nhau nối nlại với nhau tại hai điểm và một trong hai điểm đó được đốt nóng thì trong mạch đó xuất hiện một dòng điện gây bởi sức điện động gọi là sức điện động nhiệt điện. Khi t1=t2 thì Va=Vb dẫn đến Uab = 0, ET = 0 Khi t1 ¹ t2 thì Va ¹ Vb lúc đó ET = f(t1) – f(t2). Nếu t2 = const thì ET = f(t1) + C - Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo cặp nhiệt điện: + độ dẫn điện tốt và phải có trị số sức điện động lớn. + Suất điện động nhiệt điện phải lớn. + Độ bền hóa học và cơ học với nhiệt độ phải cao. + Điện dẫn lớn và hệ sô nhiệt độ của điện trở bé. + Tính chất nhiệt điện không thay đổi + Quan hệ giữa sức điện động ET và nhiệt độ T phải là hàm đơn trị + Cấu tạo và thành phần kim loại phải ổn định, đồng nhất. Việc sử dụng cặp nhiệt độ có nhiều lợi thế: Kích thước cặp nhiệt độ nhỏ nên có thể đo được nhiệt độ của từng điểm của đối tượng nghiên cứu. Cặp nhiệt độ cung cấp suất điện động nên khi đo không cần có dòng điện chạy qua và do vậy không có hiệu ứng đốt nóng. Tuy nhiên nó cũng có một số điểm bất lợi: Phải biết trước nhiệt độ so sánh Tref và do vậy sai số của Tref gây nên sai số. Suất điện động của cặp nhiệt điện trong dải nhiệt độ rộng là hàm không tuyến tính của Tc. Bảng sau đây giới thiệu một sô loại cặp nhiệt điện thông dụng: Tên cặp nhiệt điện Giới hạn nhiệt độ trên OC Sức điện động nhiệt điện với 100OC : mV Đo lâu dài Đo ngắn hạn Platin-platin Rôdi (90%Pt, 10% Rh) Crômmel (90%Ni +10% Cr)- Alumel (95%Ni + 5% Al) Crômmel-Côpen (56% Cu + 44%Ni) Đồng - Côpen Đồng - Constantan Vonfram (5%reni)- Vonfram (5%reni) 1300 900 600 350 350 1800 1750 1300 800 500 500 200 0,64 4,10 6,95 4,75 4,15 1,33 Bảng1.1 : Mét số cặp nhiệt điện. - Độ nhạy nhiệt của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ TC được xác định theo biểu thức sau: Trong đó S là hàm của nhiệt độ và có đơn vị là mV/OC. - Nguyên nhân chủ yếu gây sai số đối với cặp nhiệt điện. Sai sè do nhiệt độ đầu tự do thay đổi. Khi khắc độ thì đầu tự do được đặt ở nhiệt độ 00C nhưng trong thực tế đầu tự do đặt trong môi trường có nhiệt độ khác 0. Sai sè do sù thay đổi điện trở của đường dây. Sai sè do đặt cặp nhiệt điện không đúng vị trí cần đo, không đúng hướng và diện tích tiếp xúc của cặp nhiệt vơi đối tượng đo quá nhỏ. b.Nhiệt điện trở: Nhiệt điện trở là chuyển đổi có điện trở thay đổi theo nhiệt độ tác động vào nó. Tùy theo tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chạy quanhiệt điện trở mà người ta phân ra: nhiệt điện trở đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng. Trong nhiệt điện trở không đốt nóng dòng điện chạy qua rất nhỏ không làm tăng (hoặc tăng rất Ýt) nhiệt độ của điện trở và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ mội trường cần đo. Nhiệt điện trở đốt nóng thì dòng điện chạy qua rất lớn làm nhiệt độ của nó tăng lên cao hơn nhiệt độ cần đo nên có sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Yêu cầu đối với vật liệu là có hệ số nhiệt độ lớn, có độ bền hóa học khi có tác dụng của môi trường, khó chảy. b.1. Nhiệt điện trở dây. Chuyển đổi nhiệt điện trở dây thông thường được chế tạo từ đồng, platin và Niken đường kính dây từ 0,02 ¸ 0,06 mm với chiều dài từ 5 ¸ 20 mm. - Nhiệt điện trở đồng Dải nhiệt độ làm việc : -50 ¸ 180 0C . Phương trình đặc trưng: RT=R0(1 + at) a: Hệ số nhiệt độ của điện trở. a=4,3.10-3 1/0C trong khoảng 0¸100 0C t : Nhiệt độ. R0: Điện trở chuyển đổi ở 0 0C. Nếu không biết giá trị của R0 thì ta có thể dùng công thức: RT2 = RT1(t - t2)/(t + t1) RT2, RT1 là điện trở ứng với nhiệt độ T2 và T1 t = 1/a là hằng số phụ thuộc vào từng loại vật liệu. t = 234 đối với đồng. - Nhiệt điện trở Platin. Platin có thể chịu được đến nhiệt độ 1200 0C mà không bị ô xi hóa hoặc nóng chảy. Phương trình đặc trưng: RT=R0(1 + At + Bt2) ở nhiệt độ 0 0C¸ 660 0C. RT=R0(1 + At + Bt2 +C(t – 100)3) ở nhiệt độ -180 0C ¸ 0 0C R0: Điện trở ở 0 0C A, B, C là các hằng số. Đặc tính của nó có dạng phi tuyến. Với nhiệt độ lớn hơn 660 0C và nhỏ hơn -1800C quan hệ RT = f(t) được cho dưới dạng bảng. - nhiệt điện trở Niken. Niken có thể sử dụng để đo đến nhiệt độ: 3000C. ở nhiệt độ cao hơn thì quan hệ RT = f(t) không đơn trị. Khi t = 0 0C ¸ 1000C thì hệ số a=5.10-3 1/0C ưu điểm cơ bản của nó là có điện trở suất cao, hệ số nhiệt lớn cho phép chế tạo được các chuyển đổi có kích thước nhỏ. b.2 nhiệt điện trở bán dẫn. Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ một số ôxit kim loại khác nhau nh­ CuO, MnO …. Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở được biểu diễn dưới dạng biểu thức: RT = A.eb/T. Trong đó: A: Hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn, kích thước và hình dáng của nhiệt điện trở. b: Hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn. T: Nhiệt độ tuyệt đối e: Cơ số logarit tự nhiên. Hệ số nhiệt độ a của chất bán dẫn mang dấu âm và có giá trị 0,02 ¸ 0,08 1/OC. điện trở suất lớn do đó kích thước nhỏ. a = - b/T2 Cấu tạo của nhiệt điện trở bán dẫn có thể ở dạng thanh, dạng đĩa và dạng hình cầu. Sai số của nhiệt kế nhiệt điện trở chủ yéu là do sù thay đổi điện trở đường dây khi nhiệt độ môi trường thay đổi. điện trở đường dây có thể đạt tới 5W trong khi đó điện trở của nhiệt điện trở thường vào khoảng 40W ¸ 100W do đó khi điện trở đường dây thay đổi sẽ gây ra mét sai số đáng kể. Ngoài ra dòng điện chạy qua nhiệt điện trở gây nóng cũng làm cho điện trở tăng gây sai sè. ứng của chuyển đổi nhiệt điện trở dùng để đo nhiệt độ, đo các đại lượng không điện nh­ đo di chuyển, đo áp suất và dùng để phân tích thành phần, nồng độ của một số hợp chất và chất khí. c.Các IC đo nhiệt độ IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tiná hiệu điện dưới dạng điện áp. dựa vào đặc tính rất nhạy cảm của bán dẫn với nhiệt độ để tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín hiệu điện ta biết được giá tri của nhiệt độ cần đo. Sau đây là thông số của một số loại IC dùng để đo nhiệt độ + LM135/ LM335 Các thông số kỹ thuật: Dòng cho phép 400uA ¸ 5 mA. Điện trở động 1 W. Nhiệt độ cho phép : 1000C. Mức điện áp thay đổi: 10mV/0K + AD590 Đầu ra là dòng điện độ nhạy 1A/OK. Độ chính xác +4OC. Nguồn cung cấp VCC = 4 ¸ 30 V Khoảng nhiệt độ đo được -55 OC ¸ 150 OC. + Lx5700 Đầu ra là điện áp độ nhạy 10mV/OK. Khoảng nhiệt độ đo được -55 OC ¸ 150 OC. Chương II Họ vi điều khiển MCS-51 II.1 Giới thiệu họ họ vi điều khiển MCS-51 Họ vi điều khiển MCS-51 là họ vi điều khiển 8 bit được sử dụng phổ biến nhất của hãng Intel trên thị trường thế giới.Sau đây là bảng tổng kết về kiến trúc phần cứng của một số bộ vi điều khiển họ MCS-51 Tên gọi Công nghệ ROM trong ROM ngoài RAM trong RAM ngoài Timer Counter 8031 NMOS Không có 64 KByte 128 Byte 64 KByte 2 8051 NMOS 4 Kbyte 64 KByte 128 Byte 64 KByte 2 8751 NMOS 4 Kbyte 64 KByte 128 Byte 64 KByte 2 8032 NMOS Không có 64 KByte 256 Byte 64 KByte 3 8052 NMOS 8 Kbyte 64 KByte 256 Byte 64 KByte 3 80C31 CMOS Không có 64 KByte 128 Byte 64 KByte 2 80C51 CMOS 4 Kbyte 64 KByte 128 Byte 64 KByte 2 Phần lớn các vi điều khiển trong họ MCS-51 được đóng vỏ theo kiểu 2 hàng (PDIP) với tổng cộng 40 chân, một số khác được đóng vỏ theo kiểu hình vuông với 44 chân. Chip 8051 có các đặc trưng 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 bit (thao tác trên từng bit riêng rẽ). 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit. 4ms cho hoạt động nhân hoặc chia. Ngoài ra nó còn được thiết kế với logic tĩnh cho phép hoạt động có tần số giảm suống 0 và hỗ trợ 2 chế độ tiết kiệm năng lượng được lựa chọn bằng phần mềm. Chế độ nghỉ dừng CPU trong khi vẫn cho phép Ram và các bộ định thời, đếm, cổng nối tiếp và các hệ thống ngắt tiếp tục hoạt động. Chế độ nguồn giảm duy trì nội dung của Ram nhưng không cho mạch dao động cung cấp xung clock nhằm vô hiệu hóa các hoạt động của chip cho đến khi có reset cứng tiếp theo. Sau đây là 3 loại cấu hình chân ra của IC 8051 S¬ ®å ch©n cña 8051 II.2 Cấu trúc phần cứng họ vi điều khiển MCS-51 Khối xử lý trung tâm Thanh ghi chứa Acc Thanh ghi chứa phụ B Ram trong Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer ) còng nh­ con trỏ dữ liệu để định địa chỉ bộ nhớ ngoài. Bộ đếm chương trình PC (Program Counter). Bộ giải mã lệnh Bộ điều khiển thời gian và logic Thanh ghi đặc biệt SFR(Special Function Register). Thanh ghi số liệu Thanh ghi từ trạng thái PSW. Hai bộ địng thời/ bộ đếm (Timer/Counter ) với các chế độ hoạt động khác nhau để giúp việc định thời gian hay đếm các sự kiện, định tốc độ Baud cho cổng nối tiếp. Một cổng nối tiếp bao gồm: giao diện truyền tin nối tiếp SCI có khả năng phát hay nhận một byte thông tin theo cách truyền tuần tự từng bit. Giao diện giao tiếp nối tiếp với thiết bị ngoại vi SPI, truyền tin nối tiếp với thiết bị ngoại vi Có 4 cổng vào/ra song song. Hệ thống điêug khiển ngắt với 5 nguồn ngắt Bảng tóm tắt các chân và chức năng của nó Số chân(Pin) Ký hiệu Chức năng 1¸8 P1.0 ¸ P1.7 Cổng vào / ra(port1) 9 Reset Lối vào reset tích cực mức cao 10¸17 P3.0 ¸ P3.7 Cổng vào/ra (Port 3) và tất cả các đường dẫn với chức năng đặc biệt 18 XTAL2 Lối vào của bộ dao động thạch anh bên trong 19 XTAL1 Lối vào của bộ dao động thạch anh bên trong 20 Vss Chân nối đất (0v) 21¸28 P2.0 ¸ P2.7 Cổng vào ra 2 và các đường địa chỉ cao từ A8¸A15 29 Dùng cho bộ nhớ chương trình ngoài 30 ALE Cho phép chốt địa chỉ 31 Để làm việc với ROM trong hay ROM ngoài 32¸39 P0.0¸P0.7 Cổng vào/ra 0 và các đường địa chỉ thấp A0¸A7 40 VCC Chân cấp nguồn (+5v) II.3 Mô tả các chân Họ vi điều khiển 8051 theo kiểu PDIP có tổng cộng 40 chân trong đó có 4 cổng vào ra song song: Cổng 0 (P0), cổng 1 (P1), cổng 2 (P2), cổng 3 (P3), các chân cấp nguồn và các chân điều khiển các thiết bị ngoại vi khác. Port 0: Port 0 (các chân 32 ¸ 39 của 8951) là cổng có 2 công dông. Trong các thiết kế nhỏ không dùng bộ nhớ ngoài thì nó có chức năng như các đường vào/ra. Đối với các thiết kế lớn cần phải có bộ nhớ ngoài, cổng này trở thành bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp. Port 1: Port 1(các chân 1 ¸ 8 của 8951) chỉ có tác dụng xuất/nhập. 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 ngoại vi. Port 2: Port 2 (các chân 21 ¸ 28 của 8951) là cổng có 2 công dụng, chúng được dùng như các đường xuất/nhập hoặc là byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16 bit cho các thiết kế có bộ nhớ chương trình ngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn256 byte bộ nhớ dữ liệu ngoài. Port 3: Port 3 (các chân 10 ¸ 17 của 8951) là cổng có 2 công dụng. Khi không hoạt động xuất/nhập thì các chân của cổng 3 có nhiều chức năng riêng riêng biệt. Bảng dưới đây liệt kê các chức năng của từng chân của cổng 3 : Bit Tên Địa chỉ Chức năng chuyển đổi P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của cổng nối tiếp P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của cổng nối tiếp P3.2 INT0 B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0 P3.3 INT1 B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1 P3.4 T0 B4H Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 0. P3.5 T1 B5H Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 1. P3.6 WR B6H Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 RD B7H Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN. 8051 cung cấp cho ta 4 tín hiệu điều khiển Bus. Tín hiệu cho phép bộ nhớ chương trình là tín hiệu đưa ra trên chân 29. đây là tín hiệu điều khiển cho phép ta truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài. Chân này thường nối với chân cho phép xuất (Output Enable) của Epprom (hoặc Rom) để cho phép đọc các byte lệnh. Tín hiệu ở mức logic 0 trong suốt thời gian tìm nạp lệnh. Các mã nhị phân của chương trình hay mã lệnh được đọc từ Eprom qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR để được giải mã. Khi thực thi chương trình chứa ở ROM nội, được duy trì ở mức không tích cực ( Mức 1). Chân cho phép chốt địa chỉ ALE. 8051 sử dụng chân 30, chân xuất tín hiệu cho phép chốt địa chỉ ALE (Address Latch Enable) để giải đa hợp bus dữ liệu và bus địa chỉ. Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động bên trong và có thể dùng làm xung clock cho phần còn lại của hệ thống. Nếu mạch dao động có tần số 12MHz, tín hiệu ALE có tần số 2 MHz. Chân ALE còn được dùng để nhận xung ngõ vào lập trình cho EPROM trên chip 8051. Chân truy xuất ngoài . Ngõ vào này có thể được nối với 5V (logic 1) hoặc GND (logic 0). Nếu chân này nối lên 5 V, 8051/8052 thực thi chương trình trong ROM nội. Nếu chân này nối với GND (và PSEN cũng ở mức logic 0) thì chương trình cần thực thi chứa ở bộ nhớ ngoài. Nếu chân ở logic 0 đối với 8051/8052, ROM nội bên trong chip bị vô hiệu hóa và chương trình thực thi chứa ở ROM ngoài. đối với những loại không có ROM trong thì chân phải ở mức logic 0. Chân Reset Chân vào RST (chân 9) là ngõ vào reset của 8051 dùng để thiết lập lại trạng thái ban đầu của hệ thống. Khi ngõ vào này được treo ở 1 tối thiểu 2 chu kỳ máy thì các thanh ghi bên trong được nạp giá trị thích hợp cho việc nạp lại hệ thống. II.4. Cách tổ chức và truy cập bộ nhớ của 8051. Bộ nhớ của 8051 nói riêng và họ MCS – 51 nói chung có khả năng định địa chỉ cho ô nhớ dữ liệu và ô nhớ chương trình đến 64 Kbytes và được chia làm 2 vùng bộ nhớ riêng biệt: Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. =0 External =1 Internal 0FFFH 0000H FFFFH FFH 00H Internal Exterrnal FFFFH Program Memory ( Read only) Data Memory ( Read/Write) 2.4.1 Bộ nhớ chương trình. Bé vi điều khiển 8051 có thể định dịa chỉ bộ nhớ chương trình tới 64 Kbyte, bao gồm bộ nhớ ROM trong kích thước 4 Kbyte và bộ nhớ ROM ngoài kích thước 64 Kbyte. Nếu bộ vi điều khiển dùng ROM trong thì chân (External Access) phải được treo cao, lúc này 4Kbyte ROM trong được coi là miền địa chỉ thấp, miền địa chỉ còn lại do ROM ngoài quản lý. Nếu chương trình đọc địa chỉ 000H đến 0FFFH thì sẽ đọc trực tiếp từ ROM trong, còn lại địa chỉ 1000H đến FFFFH là đọc từ ROM ngoài. Ta phải sử dụng 16 bit địa chỉ để truy cập bộ nhớ chương trình ngoài. Bộ vi điều khiển có thể dùng toàn bộ bộ nhớ ROM ngoài 64Kbyte, lúc này thì chân được nối với đất (0V) và tất cả chương trình được đọc từ ROM ngoài. Khi đọc bộ nhớ chương trình bên ngoài thì chân (Program Strobe Enable) đưa ra các xung đọc dùng cho bộ nhớ chương trình bên ngoài. Do vậy tín hiệu chỉ có tác dụng đối với ROM ngoài còn đối với ROM trong thì chân này không có tác dụng. Sau khi Reset CPU bắt đầu thực hiện từ địa chỉ 0000H, tiếp theo là đến vùng đặt các ngắt của CPU từ địa chỉ 0003H đến 0023H. Việc sử dụng ROM trong ( đối với những loại có ROM trong) và ROM ngoài (đối với những hệ thống đòi hỏi phải mở rộng bộ nhớ) bằng cách sủ dụng chân để điều khiển. S¬ ®å ghÐp nèi vi xö lý víi ROM ngoµi Khi chân nối với Vcc. Đối với những loại có ROM trong 4KByte nh­ 8051 thì chương trình thực hiện từ địa chỉ 0000H đến 0FFFH của ROM trong sau đó tiếp tục từ địa chỉ 1000H đến FFFFH của ROM ngoài. Đối với những loại có ROM trong 8KByte nh­ 8051 thì chương trình thực hiện từ địa chỉ 0000H đến 1FFFH của ROM trong sau đó tiếp tục từ địa chỉ 2000H đến FFFFH của ROM ngoài. Đối với những loại có ROM trong 16KByte nh­ 8051 thì chương trình thực hiện từ địa chỉ 0000H đến 3FFFH của ROM trong sau đ