Thiết kế mô hình bảng LED điện tử dùng 01 LED ma trận đa sắc

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay bộ vi điều khiển (Micro-controller) đã rất phổ biến trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển khống chế hoạt động của các thiết bị như TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thoại…Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong robot, dây chuyền tự động. Các hệ thống càng thông minh thì vai trò của vi điều khiển càng quan trọng. Nhưng bộ vi điều khiển là gì, nó có tác dụng và hoạt động như thế nào? Thực ra bộ vi điều khiển (Micro-controller) là một mạch tích hợp trên một bộ Chíp có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của hệ thống. Bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo lường thời gian và tiến hành đọc mở một cơ cấu nào đó.Người lập trình có thể sử dụng nhiều ngôn ngữ để lập trình cho vi điều khiển. Nhưng thông thường người ta thường sử dụng hai ngôn ngữ chính để lập trình là: ngôn ngữ lập trình C và Assembly. Trong qúa trình học tập và đặc biệt được sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Anh Dũng - Giảng viên bộ môn Vi điều khiển - nhóm sinh viên chúng tôi đã quyết định làm đồ án kết thúc môn vi điều khiển là thiết kế mạch “Thiết kế mô hình bảng LED điện tử dùng 01 LED ma trận đa sắc”. Nội dung đồ án gồm 2 phần: Phần I : cơ sở lý thuyết liên quan đến nội dung đồ án Phần II : trình tự thiết kế và hoàn chỉnh đồ án Tuy đã rất cố gắng tìm hiểu,nghiên cứu và hoàn thiện bài tập lớn nhưng có thể vẫn còn có những sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của thầy giáo và các bạn để có thêm những kiến thức vững chắc trong lĩnh vực điện tử đang theo học. Chắc chắn những kiến thức đó sẽ giúp chúng tôi rất nhiều trong việc nghiên cứu học tập và công tác sau này. Xin chân thành cảm ơn ! Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Anh Dũng Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đăng Kỳ Nguyễn Thanh Tùng Phương Văn Tuấn Lớp điện tử 2 – K9 I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN NỘI DUNG ĐỒ ÁN A. IC 89S52 1.Giới thiệu về IC 89S52: IC 89S52 là phiên bản 8051 có ROM trên chip ở dạng bộ nhớ Flash. Phiên bản này là lý tưởng với những phát triển nhanh vì bộ nhớ Flash có thể xóa trong vài giây. Ta gọi IC này là bộ vi điều khiển vì trong chúng chứa ROM, RAM, các cổng nối tiếp và song song. 89S5 không được sử dụng trong máy tính nhưng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong sản phẩm máy móc tiêu dùng. Cùng với họ 89S52 có một số vi điều khiển khác. Về cơ bản chúng đều giống nhau, chúng chỉ khác nhau ở vùng nhớ nội bao gồm vùng nhớ mã lệnh, vùng nhớ dữ liệu và một số Timer. Sự khác nhau đó được mô tả bằng bảng dưới đây: Vi điều khiển Vùng mã lệnh nội Vùng dữ liệu nội Số Timer 8051 8031 8751 8052 8032 8732 4K ROM 0K 4K EPROM 8K ROM 0K 4K EPROM 128 bytes 128 bytes 128 bytes 256 bytes 256 bytes 256 bytes 2 2 2 3 3 3 Bảng 1. Giới thiệu một số IC họ 8951 2.Cấu trúc của IC 89S52: Trung tâm của 89S52 vẫn là vi xử lý trung tâm (CPU). Để kích thích cho toàn bộ hệ thống hoạt động, 89S52 có bộ tạo dao động nội với thạch anh được ghép từ bên ngoài với tần số khoảng từ vài Mhz đến 24 Mhz. Liên kết các phần tử với nhau là hệ thống BUS nội, gồm có BUS dữ liệu, BUS địa chỉ và BUS điều khiển. 89S52 có 8K ROM, 256 bytes RAM và một số thanh ghi bộ nhớ… Nó giao tiếp với bên ngoài qua 3 cổng song song và một cổng nối tiếp có thể thu, phát dữ liệu nối tiếp với tốc độ lập trình được. Hai bộ định thời 16 bit của 89S52 còn có 2 ngắt ngoài cho phép nó đáp ứng và xử lý điều kiện bên ngoài theo cách ngắt quãng, rất hiệu quả trong các ứng dụng điều khiển. Thông qua các chân điều khiển và các cổng song song 89S52 có thể mở rộng bộ nhớ ngoài lên đến 64Kbs dữ liệu. Sau đây là sơ đồ khối vi điều khiển: Hình 1. Sơ đồ khối Vi điều khiển họ 89S52 3. Sơ lược về các chân IC 89S52: IC 89S52 có 40 chân. Có đến 32 chân làm nhiệm vụ xuất nhập, truyền dữ liệu. Các chân phục vụ ngắt, các chân Timer, trong đó 24 chân làm 2 nhiệm vụ khác nhau. Mỗi chân có thể là đường xuất nhập, đường điều khiển hoặc là một phần của địa chỉ hay dữ liệu. Thiết kế thường có bộ nhớ ngoài hay các thiết bị ngoại vi sử dụng những Port để xuất nhập dữ liệu. Tám đường trong mỗi Port được sử dụng như một dơn vị giao tiếp song song như máy in, bộ biến đổi tương tự số…. Hoặc mỗi đường cũng có thể hoạt động độc lập trong giao tiếp với các thiết bị đơn bit khác như: transistor, LED, switch…. Sau đây là hình dạng sơ đồ của IC 89S52: Hình 2. Hình dạng sơ đồ IC 89S52 4. Chức năng các chân IC 89S52: Sau đây là phần giới thiệu chức năng các chân , các Port tương ứng, chân PSEN, chân ALE, chân REST… a. Port 0 Port 0 là cổng song song dùng cho 2 mục đích, nó là các chân từ 32. Trong những thiết kế nhỏ nó được dùng trong các cổng xuất nhập bình thường. Ở những thiết kế có sử dụng bộ nhớ ngoài, nó vừa là Bus dữ liệu vừa là bytes thấp của Bus địa chỉ. Nó còn được dùng chứa những bytes mã khi nạp ROM nội. b. Port 1 Port 1 dành cho cổng xuất nhập và chỉ dành cho mục đích này mà thôi. Nó dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi theo từng bit hoặc bytes . Port 1 chiếm các chân từ 1 đến 8. c. Port 2 Port 2 (chân 21÷ 28) là Port có 2 chưc năng. Ngoài mục đích dành cho xuất nhập thông thường nó còn dùng làm bytes cao cho các địa chỉ bộ nhớ ngoài. d. PSEN (cho phép nạp chương trình) 89S52 có 4 chân tín hiệu điều khiển. PSENT là tín hiệu điều khiển được xuất ra ở chân 29. Tín hiệu điều khiển này cho phép lập trình ở bộ nhớ ngoài và thường được nối với các chân OE của EPROM để đọc mã lệnh từ bộ nhớ ngoài vào thanh ghi đệm của 89S52. Nó xuống mức thấp nhất trong khi đọc lệnh. Mã lệnh đọc từ EPROM, qua Bus dữ liệu, được chốt vào thanh ghi của 89S52. Khi thi hành chương trình từ ROM nội PSEN được giữ ở mức cao (trạng thái không tác động). e. EA (truy xuất vùng nhớ ngoài) EA là một tín hiệu vào có thể ở mức cao hay thấp. Nếu ở mức cao 89S52 thi hành chương trình ở ROM nội, 4K/8K chương trình. Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành ở bộ nhớ ngoài. Đối với 80431/ 8231 EA phải được giữ ở mức thấp vì chúng không có ROM nội. EA cũng chính là chân nhận điện áp mức cao để nạp EPROM nội. f. ALE ( cho phép chốt địa chỉ) ALE là tín hiệu được xuất ra ở chân 20, rất quen thuộc với những ai đã tùng làm việc với vi xử lý 8085, 8086 của Intel. 89S52 dùng ALE để phân kênh cho từng Bus địa chỉ và Bus dữ liệu. Khi Port 0 được dùng làm Bus dữ liệu và bytes thấp của Bus địa chỉ - ALE là tín hiệu dùng để chốt địa chỉ vào thanh ghi chốt bên ngoài trong nửa đầu của một chu kỳ máy. Sau đó Port 0 sẵn sàng để truy xuất dữ liệu trong nửa chu kỳ còn lại. Xung ALE có tần số bằng 1/6 lần tần số bộ dao động nội và có thể dùng như một xung clock cho mục đích nào đó khi hệ thống không làm việc. Nếu tần số của 89S52 là 12MHz thì tần số xung ALE là 2MHz. Một xung ALE bị mất khi có một lệnh MOVX được thi hành. g. Ngõ vào dao động nội Ngõ vào đao động nội được mô tả như dưới hình hai, có một thạch anh được nối vào chân 19 (XTAL1) và 18 (XTAL2). Có thể mắc thêm tụ để ổn định dao động. Thạch anh 12MHz thường dùng cho họ IC MCs-51, trừ IC 80C31BH có thể dùng thạch anh lên đến 16MHz. Tuy nhiên, không nhất thiết phải dùng thạch anh mà ta có thể dùng mạch dao động TTL tạo xung Clock đưa vào chân XTAL1 và lấy đảo của nó đưa vào XTAL2. h. RST (RESET) Ngõ vào chân RST (chân 19) là chân master reset của 89S52. Khi nó ở mức cao nhất (trong khoảng ít nhất 2 chu kỳ máy ) các thanh ghi nội được nạp với giá trị tương ứng theo thứ tự khởi động hệ thống. i. Nguồn cung cấp 89S52 sử dụng nguồn cung cấp Vcc=5V được cấp vào chân 40,GND được nối vào chân 20. Bit Tên Chức năng P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 P1.0 P1.1 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 W/R RD T2 T2EX Nhận dữ liệu Phát dữ liệu Ngắt ngoài 0 Ngắt ngoài 1 Ngõ vào Timer/couter 0 Ngõ vào Timer/ couter 1 Đọc dữ liệu từ bộ nhớ ngoài Đọc dữ liệu vào bộ nhớ ngoài Ngõ vào của Timer/ couter Bảng 2. Giới thiệu một số chân IC họ 8951 5. Các thanh ghi có chức năng đặc biệt Các thanh ghi nội của 89S52 chiếm một phần của vùng nhớ nội, vì vậy mỗi thanh ghi đều có một địa chỉ. Các thanh ghi chức năng (FSRs) trong vùng nhớ cao từ 80H đến FFH. Lưu ý có một số bytes trong vùng này không được định nghĩa. Chỉ có 21 địa chỉ thanh ghi chức năng được định nghĩa (26 địa chỉ đối với 8052/8032). Các thanh ghi chương trình Thanh ghi B Con trỏ ngăn sắp xếp Con trỏ dữ liệu Các thanh ghi Port Các thanh ghi bộ định thời Các thanh ghi cổng nối tiếp Các thanh ghi ngắt Thanh ghi PCON 6. Bộ nhớ ngoài Mở rộng bộ nhớ là một khả năng quan trọng đói với vi điều khiển nhằm tránh gặp bế tắc trong vấn đề thiết kế. Họ MCs-51 có thể mở rộng 64Kbs và bộ nhớ mã lệnh 64Kbs dữ liệu. Các IC giao tiếp ngoại vi cũng có thể thêm vào để tăng năng xuất nhập. Các chân cho phép giao tiếp với bộ nhớ ngoài RD, WR, PSEN, OE… B. Ma trận LED 8x8 Ma trận LED 8x8 là linh kiện hiển thị được dùng rất rộng rãi trong thực tế.Có hai loại ma trận LED 8x8 là ma trận LED đơn sắc và ma trận LED đa sắc. Một ma trận LED 8x8 đơn sắc bao gồm 64 LED được bố trí thành 8 hàng x 8 cột, trong đó các anốt cửa 8 LED trong cùng một hàng được nối với nhau để tạo thành một đường dây hàng và các katốt cửa 8 LED trong cùng một cột được nối với nhau để tạo thành một đường dây cột. Như vậy một ma trận LED 8x8 đơn sắc có tám đường dây hàng và tám đường dây cột, muốn 1 LED trong ma trận sáng ta cần cấp nguồn cho LED và đường dây hàng và đường dây cột tương ứng với LED đó. Một ma trận LED 8x8 đa sắc bao gồm 64 điểm sáng được bố trí thành 8 hàng x 8 cột trong đó mỗi điểm sáng có thể gồm 1 LED màu xanh lục + 1 LED màu đỏ hoặc 1LED màu xanh lục + 1 LED màu xanh lơ + 1 LED màu đỏ hoặc 1 LED màu xanh lục + 1 LED màu xanh lơ + 2 LED màu đỏ. Với loại LED ma trận mà mỗi điểm sáng gồm 1 LED màu xanh lục + 1 LED màu đỏ thì điểm sáng hiển thị màu xanh nếu LED đỏ tắt, màu đỏ nếu LED màu xanh tắt, màu vàng nếu cả 2 LED sáng và tắt nếu cả 2 LED cùng tắt trong cùng 1 hàng, các Katot của các LED màu xanh được nối với nhau để tạo thành 1 đường dây hàng thứ nhất và các Katot của các LED màu đỏ được nối với nhau để tạo thành 1 đường dây hàng thứ 2. Các Anot của 16 LED trong cùng 1 cột được nối với nhau để tạo thành 1 đường dây cột. Như vậy 1 LED trong ma trận sáng ta cần cấp nguồn cho LED vào đường dây hàng và đường dây cột tương ứng với LED đó. II. TRÌNH TỰ THIẾT KẾ VÀ HOÀN CHỈNH ĐỒ ÁN 1. Lập trình lập trình cho IC 89S52 bằng ngôn ngữ C và viết trên phần mềm KeilC Version 3. Sau đây là toàn bộ chương trình viết bằng C được nạp vào IC. #include #include unsigned char mangcot[8]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80}; unsigned int m,n,z,k; unsigned char congtac; void delay(unsigned int t) { unsigned int i; for(i=0;i<=t;i++); } void xoa(void) { P0=0x00; } void chaychu1(void) { unsigned char mangchu1[83]={0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF, 0x07,0xEB,0xED,0xEB,0x07,0xFF, //chu A 0x01,0x6D,0x6D,0x6D,0x93,0xFF, //chu B 0x83,0x7D,0x7D,0x7D,0xBB,0xFF, //chu C 0x01,0x7D,0x7D,0x7D,0x83,0xFF, //chu D 0x01,0x6D,0x6D,0x6D,0x6D,0xFF, //chu E 0x01,0xED,0xED,0xED,0xED,0xFF, //chu F 0x83,0x7D,0x7D,0x5D,0x9B,0xFF, //chu G 0x01,0xEF,0xEF,0xEF,0x01,0xFF, //chu H 0x7D,0x01,0x7D,0xFF, //chu I 0xBF,0x7D,0x81,0xFD,0xFF, //chu J 0x01,0xEF,0xD7,0xBB,0x7D,0xFF, //chu K 0x01,0x7F,0x7F,0x7F,0xFF, //chu L 0x01,0xFB,0xF7,0xFB,0x01,0xFF, //chu M 0xFF,0xFF}; z=0; while(z<=73) { for(m=1;m<=12;m++) { for(n=z;n<=7+z;n++) { P0=mangcot[n-z]; if(congtac==1) { P2=mangchu1[n]; P1=0xFF; } else if(congtac==2) { P1=mangchu1[n]; P2=0xFF; } else if(congtac==3) { P1=P2=mangchu1[n]; } delay(200); xoa(); } } ++z; } } void chaychu2(void) { unsigned char mangchu2[86]={0x01,0xFB,0xF7,0xFB,0x01,0xFF, 0x01,0xF7,0xEF,0xDF,0x01,0xFF, //chu N 0x83,0x7D,0x7D,0x7D,0x83,0xFF, //chu O 0x01,0xED,0xED,0xED,0xF3,0xFF, //chu P 0x83,0x7D,0x5D,0xBD,0x43,0xFF, //chu Q 0x01,0xED,0xCD,0xAD,0x73,0xFF, //chu R 0xB3,0x6D,0x6D,0x6D,0x9B,0xFF, //chu S 0xFD,0xFD,0x01,0xFD,0xFD,0xFF, //chu T 0x81,0x7F,0x7F,0x7F,0x81,0xFF, //chu U 0xC1,0xBF,0x7F,0xBF,0xC1,0xFF, //chu V 0x81,0x7F,0x8F,0x7F,0x81,0xFF, //chu W 0x39,0xD7,0xEF,0xD7,0x39,0xFF, //chu X 0xF9,0xF7,0x0F,0xF7,0xF9,0xFF, //chu Y 0x3D,0x5D,0x6D,0x75,0x79,0xFF, //chu Z 0xFF,0xFF}; z=0; while(z<=78) { for(m=1;m<=12;m++) { for(n=z;n<=7+z;n++) { P0=mangcot[n-z]; if(congtac==1) { P2=mangchu2[n]; P1=0xFF; } else if(congtac==2) { P1=mangchu2[n]; P2=0xFF; } else if(congtac==3) { P1=P2=mangchu2[n]; } delay(200); xoa(); } } ++z; } } void chayso(void) { unsigned char mangso[73]={0x3D,0x5D,0x6D,0x75,0x79,0xFF, 0x83,0x7D,0x7D,0x7D,0x83,0xFF, //so 0 0xF7,0xFB,0x01,0xFF, //so 1 0x7B,0x3D,0x5D,0x6D,0x73,0xFF, //so 2 0xBB,0x7D,0x6D,0x6D,0x93,0xFF, //so 3 0xDF,0xCF,0xD7,0xDB,0x01,0xFF, //so 4 0x61,0x6D,0x6D,0x6D,0x9D,0xFF, //so 5 0x83,0x6D,0x6D,0x6D,0x9B,0xFF, //so 6 0x7D,0xBD,0xDD,0xED,0xF1,0xFF, //so 7 0x93,0x6D,0x6D,0x6D,0x93,0xFF, //so 8 0xB3,0x6D,0x6D,0x6D,0x83,0xFF, //so 9 0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF}; z=0; while(z<=65) { for(m=1;m<=12;m++) { for(n=z;n<=7+z;n++) { P0=mangcot[n-z]; if(congtac==1) { P2=mangso[n]; P1=0xFF; } else if(congtac==2) { P1=mangso[n]; P2=0xFF; } else if(congtac==3) { P1=P2=mangso[n]; } delay(200); xoa(); } } ++z; } } void chaychu(void) { unsigned char mangchu[97]={0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF, 0x81,0x7F,0x8F,0x7F,0x81,0xFF, //chu W 0x01,0x6D,0x6D,0x6D,0x6D,0xFF, //chu E 0x01,0x7F,0x7F,0x7F,0xFF, //chu L 0x83,0x7D,0x7D,0x7D,0xBB,0xFF, //chu C 0x83,0x7D,0x7D,0x7D,0x83,0xFF, //chu O 0x01,0xFB,0xF7,0xFB,0x01,0xFF, //chu M 0x01,0x6D,0x6D,0x6D,0x6D,0xFF, //chu E 0xFF,0xFF,0xFF, 0xFD,0xFD,0x01,0xFD,0xFD,0xFF, //chu T 0x83,0x7D,0x7D,0x7D,0x83,0xFF, //chu O 0xFF,0xFF,0xFF, 0x01,0xEF,0xEF,0xEF,0x01,0xFF, //chu H 0x07,0xEB,0xED,0xEB,0x07,0xFF, //chu A 0x81,0x7F,0x7F,0x7F,0x81,0xFF, //chu U 0x7D,0x01,0x7D,0xFF, //chu I 0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF}; z=0; while(z<=89) { for(m=1;m<=12;m++) { for(n=z;n<=7+z;n++) { P0=mangcot[n-z]; if(congtac==1) { P2=mangchu[n]; P1=0xFF; } else if(congtac==2) { P1=mangchu[n]; P2=0xFF; } else if(congtac==3) { P1=P2=mangchu[n]; } delay(200); xoa(); } } ++z; } } void main(void) { congtac=1; IE=0x85; IT0=1; IT1=1; k=1; while(1) { if(k==1) { chaychu1(); chaychu2(); chayso(); } if(k==2) { chaychu(); } } } void ngatngoai0(void) interrupt 0 { if (congtac<3) congtac++; else congtac=1; } void ngatngoai1(void) interrupt 2 { if (k<2) k++; else k=1; } 2. Mô phỏng Sau khi lập trình xong để kiểm tra xem chương trình của mình chạy đã chính xác chưa chúng tôi tiến hành mô phỏng mạch điện trên phần mềm Proteus version 7.5 SP3 Hình 8. mạch điện mô phỏng 3. Test mạch trên bo đồng và vẽ sơ đồ nguyên lý Sau khi đã kiểm tra thấy lập trình và mô phỏng chính xác chúng tôi tiến hành mua linh kiện về cắm trên bo đồng để kiểm tra trên thực tế mạch có chạy chính xác giống mô phỏng hay không vì trong mô phỏng chúng ta luôn có mọi yếu tố là lý tưởng nhưng trên thực tế có rất nhiều yếu tố tạo nên sai số cho một mạch điện. Ngoài ra mạch điện còn kèm theo một mạch phát xung 555 nhằm tạo ra 3 dải tần khác nhau theo yêu cầu đề bài giúp mọi người có thể trực tiếp kiểm tra mạch mà không cần thiết bị tạo tần số ngoài. Khi cắm trên bo chúng ta sẽ nhìn thấy mạch điện chạy giống như mạch điện hoàn chỉnh. Khi nhận thấy mọi thứ đều tốt chúng tôi tiến hành vẽ mạch nguyên lý trên Orcad 9.2. Hình 9. Sơ đồ nguyên lý mạch điện 4. Vẽ mạch in và tiến hành làm mạch Sau khi vẽ xong mạch nguyên lý, chuyển sang vẽ luôn mạch in trên phần mềm Orcad 9.2 Hình 10. Mạch in của mạch điện MỤC LỤC Lời mở đầu…………………………………………………………..Trang 1 I. Cơ sở lý thuyết liên quan nội dung đồ án……………………………Trang 3 A. IC 89S52 Trang 3 B. Ma trận LED 8x8 Trang 10 II. Trình tự thiết kế và hoàn chỉnh đồ án……………………………..Trang 12 1. Lập trình Trang 12 2. Mô phỏng Trang 18 3. Test mạch trên bo đồng và vẽ sơ đồ nguyên lý Trang 18 4. Vẽ mạch in và tiến hành làm mạch Trang 20