Tài liệu ứng dụng họ vi điều khiển 8051 ghép nối 4 led 7 thanh dể hiển thị số đo tốc độ động cơ dùng encoder

Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Mục lục Nội dung Lời nói đầu........................................................................................................2 CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................4 1. Giới thiệu tổng quan về họ Vi điều khiển 8051.........................................4 2. Giới thiệu tổng quan về encoder..............................................................10 3. Giới thiệu về một số linh kiện khác.........................................................16 CHƯƠNG II. NỘI DUNG.............................................................................22 1 – Lưu đồ thuật toán chương trình.............................................................22 2 – Phần lập trình và mô phỏng...................................................................24 CHƯƠNG III. KẾT LUẬN.............................................................................32 1. Ưu điểm....................................................................................................32 2. Nhược điểm..............................................................................................32 Tài liệu tham khảo...........................................................................................34 Page 1 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Lời nói đầu Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao. Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để vận hành và sử dụng được lại là một điều rất phức tạp. Các bộ vi điều khiển theo thời gian cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã tiến triển rất nhanh, từ các bộ vi điều khiển 4 bit đơn giản đến các bộ vi điều khiển 32 bit, rồi sau này là 64 bit. Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công – nông – lâm – ngư nghiệp cho đến các nhu cầu cần thiết trong hoạt động đời sống hằng ngày. Một trong những ứng dụng thiết thực trong đó là ứng dụng về đo và hiển thị tốc độ động cơ. Đây là một ứng dụng rất quan trọng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và dây chuyền sản xuất. Tốc độ động cơ sẽ được hiển thị trên màn hình nhờ led 7 thanh, Từ đó chúng ta có thể giám sát được tốc độ động cơ rùi có các quyết định điều khiển cho phù hợp với yêu cầu. Vì thế, với môn học Vi điều khiển này, em đã quyết định nhận làm bài tập lớn về đo tốc độ động cơ dùng 8051. Cụ thể trong bài tập này, chúng em sẽ ghép nối vi điều khiển 89C51RD2 với 4 led 7 thanh để hiển thị tốc độ động cơ, sử dụng encoder có 100(xung/vòng). Chúng em xin trình bày nội dụng cụ thể của bài Page 2 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK tập lớn như sau. Kính mong các thầy - cô xem và cho nhận xét, đánh giá để bài tập lớn được đầy đủ hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày 03/12/2017 Page 3 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Đề tài: Ứng dụng họ vi điều khiển 8051 ghép nối 4 led 7 thanh dể hiển thị số đo tốc độ động cơ dùng encoder . YÊU CẦU: Xây dựng mạch nguyên lí? Xây dựng thuật toán? Viết chương trình ? Page 4 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Giới thiệu tổng quan về họ Vi điều khiển 8051 AT89C51 là một vi điều khiển 8 bit, chế tạo theo công nghệ CMOS chất lượng cao, công suất thấp với 4 KB PEROM (Flash Programeable and erasable read only memory). Các đặc điểm của 8951 được tóm tắt như sau: - 4KB bộ nhớ, có thể lập trình lại nhanh, có khả năng ghi xóa tới 1000 chu kỳ - Tần số hoat động từ 0 Hz đến 24 MHz - 3 mức khóa bộ nhớ lập trình - 2 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 ngoài - Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn) - 210 vị trí nhớ có thể định vị bit - 4μs cho hoạt động nhân hoặc chia Page 5 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK a – Sơ đồ khối và sơ đồ chân của AT89C51 INT1\ INT0\ SERIAL PORT TEMER0 TEMER1 TEMER2 8032\8052 INTERRUPT CONTROL OTHER REGISTER 128 byte RAM 8032\8052 128 byte RAM ROM 0K: 8031\8032 TEMER2 8032\8052 TEMER1 TEMER1 4K:8951 CPU 8K:8052 BUS CONTROL I/O PORT OSCILATOR EA\ RST ALE\ PSEN\ P0 P1 P2 P3 SERIAL PORT TXD RXD Address\Data Hình 1 – Sơ đồ khối của AT89C51 Page 6 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Hình 2 – Sơ đồ chân của AT89C51 b – Chức năng các chân của AT89C51 + Port 0 (P0.0 – P0.7 hay chân 32 – 39): Ngoài chức năng xuất nhập ra, port 0 còn là bus đa hợp dữ liệu và địa chỉ (AD0 – AD7), chức năng này sẽ được sử dụng khi AT89C51 giao tiếp với thiết bị ngoài có kiến trúc bus. Hình 3 – Port 0 Page 7 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK + Port 1 (P1.0 – P1.7 hay chân 1 – 8): có chức năng xuất nhập theo bit và byte. Ngoài ra, 3 chân P1.5, P1.6, P1.7 được dùng để nạp ROM theo chuẩn ISP, 2 chân P1.0 và P1.1 được dùng cho bộ Timer 2. Hình 4 – Port 1 + Port 2 (P2.0 – P2.7 hay chân 21 – 28): là một port có công dụng kép. Là đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng. Hình 5 – Port 2 Page 8 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK + Port 3 (P3.0 – P3.7 hay chân 10 – 17): mỗỗi chân trên port 3 ngoài chức năng xuâất nhập ra còn có một sỗấ chức năng đ ặc biệt sau: Bit Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối tiếp P3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0 P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1 P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/Counter 0 P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/Counter 1 P3.6 WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài Hình 6 – Port 3 Page 9 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK + RST (Reset – chân 9): mức tích cực của chân này là mức 1, để reset ta phải đưa mức 1 (5V) đến chân này với thời gian tối thiểu 2 chu kỳ máy (tương đương 2µs đối với thạch anh 12MHz.) + XTAL 1, XTAL 2: AT89S52 có một bộ dao động trên chip, nó thường được nối với một bộ dao động thạch anh có tần số lớn nhất là 33MHz, thôn thường là 12MHz. Hình minh hoạ + EA (External Access): EA thường được mắc lên mức cao (+5V) hoặc mức thấp (GND). Nếu ở mức cao, bộ vi điều khiển thi hành chương trình từ ROM nội. Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng. + ALE (Address Latch Enable): ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ. Sau đó các đường port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nửa chu kỳ sau của bộ nhớ. + PSEN (Program Store Enable): PSEN là điều khiển để cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối với đến chân /OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các bytes mã lệnh. PSEN sẽ ở mức Page 10 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK thấp trong thời gian đọc lệnh. Các mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM qua Bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của bộ vi điều khiển để giải mã lệnh. Khi thi hành chương trình trong ROM nội, PSEN sẽ ở mức thụ động (mức cao). + Vcc, GND: AT89C51 dùng nguồn một chiều có dải điện áp từ 4V – 5.5V được cấp qua chân 40 (+Vcc) và chân 20 (GND). 2. Giới thiệu tổng quan về encoder Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc. Encoder được chia làm 2 loại, absolute Encoder và incremental Encoder. Tạm dịch là Encoder tuyệt đối và Encoder tương đối. Chữ Encoder tuyệt đối dịch theo nguyên văn, nhưng vì tiếng Việt mình cái gì có 2 loại, thì loại còn lại được dịch ngược lại với loại kia. Cho nen dịch là Encoder tương đối cho incremental Encoder. Nếu dịch sát nghĩa, khi ta đọc absolute Encoder, có nghĩa là Encoder tuyệt đối, tức là tín hiệu ta nhận được, chỉ rõ ràng vị trí của Encoder, chúng ta không cần xử lý gì thêm, cũng biết chính xác vị trí của Encoder. Còn incremental Encoder, là loại Encoder chỉ có 1, 2, hoặc tối đa là 3 vòng lỗ. Các bạn hình dung thế này, nếu bây giờ các bạn đục một lỗ trên một cái đĩa quay, thì cứ mỗi lần đĩa quay 1 vòng, các bạn sẽ nhận được tín hiệu, và các bạn đã biết đĩa quay một vòng. Nếu bây giờ các bạn có nhiều lỗ hơn, các bạn sẽ có được thông tin chi tiết hơn, có nghĩa là đĩa quay 1/4 vong, 1/8 vòng, hoặc 1/n vòng, tùy theo số lỗ nằm trên incremental Encoder. Page 11 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1. Do vậy, Encoder loại này có tên incremental Encoder (Encoder tăng lên 1 đơn vị). Nguyên lý hoạt động cơ bản của Encoder, LED và lỗỗ Page 12 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Nguyên lý cơ bản của Encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng. Đây là nguyên lý rất cơ bản của Encoder. Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là, làm sao để xác định chính xác hơn vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về Encoder. Hình sau sẽ minh họa nguyên lý cơ bản của hoạt động Encoder. Page 13 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Các bạn thấy trong hình, có một đĩa mask, không quay, đó là đĩa cố định, thực ra là để che khe hẹp ánh sáng đi qua, giúp cho việc đọc Encoder được chính xác hơn mà thôi. Chúng ta không để cập đến đĩa mặt nạ này ở đây. Hoạt động của Encoder Ở đây ta sẽ xét đến incremental Encoder Các bạn thấy rằng, cứ mỗi lần quay qua một lỗ, thì Encoder sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm. Page 14 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết được Encoder quay hết một vòng? Nếu cứ đếm vô hạn như thế này, thì chúng ta không thể biết được khi nào nó quay hết một vòng. Nếu bây giờ các bạn đếm số lỗ Encoder để biết nó đã quay một vòng, thì nếu với Encoder 1000 lỗ chắc các bạn sẽ đếm đến sáng luôn. Chưa kể, mỗi lần có những rung động nào đó mà ta không quản lý được, Encoder sẽ bị sai một xung. Khi đó, nếu hoạt động lâu dài, sai số này sẽ tích lũy, ngày hôm nay sai một xung, ngày hôm sau sai một xung. Đến cuối cùng, có thể động cơ quay 2 vòng rồi các bạn mới đếm được 1 vòng. Để tránh điều tai hại này xảy ra, người ta đưa vào thêm một lỗ định vị để đếm số vòng đã quay của Encoder. Như vậy, cho dù có lệch xung, mà chúng ta thấy rằng Encoder đi ngang qua lỗ định vị này, thì chúng ta sẽ biết là Encoder đã bị đếm sai ở đâu đó. Nếu vì một rung động nào đó, mà chúng ta không thấy Encoder đi qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung, và việc đi qua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của Encoder. Đây là hình Encoder có lỗ định vị: Page 15 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Tuy nhiên, một vấn đề lớn nữa là, làm sao chúng ta biết Encoder đang xoay theo chiều nào? Bởi vì cho dù xoay theo chiều nào, thì tín hiệu Encoder cũng chỉ là các xung đơn lẻ và xoay theo hai chiều đều giống nhau. Chính vì vậy, người ta đặt thêm một vòng lỗ ở giữa vòng lỗ thứ 1 và lỗ định vị như hình sau: Page 16 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Chú ý rằng, vị trí góc của các lỗ vòng 1 và các lỗ vòng 2 lệch nhau. Các cạnh của lỗ vòng 2 nằm ngay giữa các lỗ vòng 1 và ngược lại. Chúng ta sẽ khảo sát tiếp vấn đề Encoder trong phần tín hiệu xung để hiểu rõ hơn về Encoder. Tuy nhiên, các bạn sẽ thấy một điều rằng, thay vì làm 2 vòng Encoder, và dùng 2 đèn LED đặt thẳng hàng, thì người ta chỉ cần làm 1 vòng lỗ, và đặt hai đèn LED lệch nhau. Kết quả, các bạn sẽ thường thấy các Encoder có dạng như hình 2: Đây là dạng Encoder phổ biến nhất hiện nay Page 17 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK 3. Giới thiều về một số linh kiện khác. 3.1 Sơ lược về led 7 thanh a. Tổng quát Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của led 7 đoạn. 8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện. 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài để kết nối với mạch điện. Nếu led 7 đoạn có Anode(cực +) chung, đầu chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0. Nếu led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung, đầu chung này được nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1. Page 18 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảo dòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led. Nếu kết nối với nguồn 5V có thể hạn dòng bằng điện trở 330Ω trước các chân nhận tín hiệu điều khiển. Sơ đồ vị trí các led Các điện trở 330Ω là các điện trở bên ngoài được kết nối để giới hạn dòng điện qua led nếu led 7 đoạn được nối với nguồn 5V. Page 19 Bài tập lớn: Vi xử lí trong ĐL và ĐK Chân nhận tín hiệu a điều khiển led a sáng tắt, ngõ vào b để điều khiển led b. Tương tự với các chân và các led còn lại. b. Kết nối với Vi điều khiển Ngõ nhận tín hiệu điều khiển của led 7 đoạn có 8 đường, vì vậy có thể dùng 1 Port nào đó của Vi điều khiển để điều khiển led 7 đoạn. Như vậy led 7 đoạn nhận một dữ liệu 8 bit từ Vi điều khiển để điều khiển hoạt động sáng tắt của từng led led đơn trong nó, dữ liệu được xuất ra điều khiển led 7 đoạn thường được gọi là "mã hiển thị led 7 đoạn". Có hai kiểu mã hiển thị led 7 đoạn: mã dành cho led 7 đoạn có Anode(cực +) chung và mã dành cho led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung. Chẳng hạn, để hiện thị số 1 cần làm cho các led ở vị trí b và c sáng, nếu sử dụng led 7 đoạn có Anode chung thì phải đặt vào hai chân b và c điện áp là 0V(mức 0) các chân còn lại được đặt điện áp là 5V(mức 1), nếu sử dụng led 7 đoạn có Cathode chung thì điện áp(hay mức logic) hoàn toàn ngược lại, tức là phải đặt vào chân b và c điện áp là 5V(mức 1). Bảng mã hiển thị led 7 đoạn:  Phần cứng được kết nối với 1 Port bất kì của Vi điều khiển, để thuận tiện cho việc xử lí về sau phần cứng nên được kết nối như sau: Px.0 nối với chân a, Px.1 nối với chân b, lần lượt theo thứ tự cho đến Px.7 nối với chân h.  Dữ liệu xuất có dạng nhị phân như sau : hgfedcba Bảng mã hiển thị led 7 đoạn dành cho led 7 đoạn có Anode chung (các led đơn sáng ở mức 0): Số hiển thị trên led Mã hiển thị led 7 đoạn Mã hiển thị led 7 đoạn dạng Page 20