Đề tài Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thủy

vật biệt lập, tàu thuyền có thể hành trình xung quanh vị trí đặt báo hiệu. c) Hình dạng: Hình tháp hoặc hình cột. d) Màu sắc: Màu đen với một hay nhiều dải màu đỏ nằm ngang. đ) Dấu hiệu đỉnh: Hai hình cầu màu đen đặt liên tiếp nhau theo chiều thẳng đứng. e) Số hiệu: Lựa chọn theo đặc điểm khu vực và có màu trắng. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 18 g) Đặc tính ánh sáng khi đƣợc lắp đèn: Ánh sáng trắng chớp nhóm 2 chu kỳ 5,0 giây. 0,5s + 1,0s +0,5s + 3,0s = 5s 1.2.2.10 Báo hiệu hƣớng đi an toàn a) Vị trí: Đặt tại đầu tuyến luồng hoặc đƣờng trục luồng hàng hải. b) Tác dụng: Báo hiệu vùng nƣớc an toàn, tàu thuyền có thể hành trình xung quanh vị trí đặt báo hiệu. c) Hình dạng: Hình cầu, hình tháp hoặc hình cột. d) Màu sắc: Sọc thẳng đứng màu trắng và đỏ xen kẽ. e) Dấu hiệu đỉnh: Một hình cầu màu đỏ, chỉ áp dụng đối với báo hiệu hình tháp hoặc hình cột. đ) Số hiệu: Theo số thứ tự (0-1-2...), màu đen. e) Đặc tính ánh sáng khi đƣợc lắp đèn: Ánh sáng trắng chớp đều, chớp dài đơn chu kỳ 10,0 giây hoặc chớp theo tín hiệu Morse chữ “A” chu kỳ 6,0 giây. 0,5s + 0,5s +1,5s + 3,5s = 6s 1.2.2.11 Báo hiệu chuyên dùng a) Tác dụng: - Báo hiệu phân luồng giao thông tại những nơi mà nếu đặt báo hiệu hai bên luồng thông thƣờng có thể gây nhầm lẫn - Báo hiệu vùng khoan thăm dò địa chất, khai thác dầu mỏ, khí đốt. - Báo hiệu vùng đánh bắt, nuôi trồng hải sản. - Báo hiệu vùng công trình đang thi công. - Báo hiệu vùng đặt đƣờng cáp hoặc đƣờng ống ngầm. - Báo hiệu vùng diễn tập quân sự, vùng giải trí, du lịch. - Báo hiệu vùng đặt hệ thống thu thập dữ liệu hải dƣơng. b) Hình dạng: Hình nón hoặc hình tháp, hình cột. c) Màu sắc: Màu vàng. d) Dấu hiệu đỉnh: Một chữ “X” màu vàng. đ) Số hiệu: Lựa chọn theo đặc điểm khu vực và có màu đỏ. e) Đặc tính ánh sáng khi đƣợc lắp đèn: Ánh sáng vàng, chớp nhóm (3+1) chu kì 12 giây. 0,5s + 1,0s + 0,5s + 1,0s + 0,5s +3,5s + 0,5s + 4,5s = 12s Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 19 1.2.2.12 Báo hiệu chƣớng ngại vật nguy hiểm mới phát hiện a) Báo hiệu an toàn phía Bắc của chƣớng ngại vật nguy hiểm mới phát hiện: Đặc tính ánh sáng khi lắp đèn: Ánh sáng trắng, chớp nháy đơn rất nhanh nhóm 3, chu kì 0,5 giây. 0,25s + 0,25s = 0,5s b) Báo hiệu an toàn phía Đông của chƣớng ngại vật nguy hiểm mới phát hiện: Đặc tính ánh sáng khi lắp đèn: Ánh sáng trắng, chớp nháy rất nhanh nhóm 3, chu kì 5,0 giây. 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 3,75s = 5s c) Báo hiệu an toàn phía Nam của chƣớng ngại vật nguy hiểm mới phát hiện Đặc tính ánh sáng khi lắp đèn: Ánh sáng trắng, chớp nháy rất nhanh nhóm 6 với một chớp dài, chu kì 10,0 giây. 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 2,0s +5,0s = 10s d) Báo hiệu an toàn phía Tây của chƣớng ngại vật nguy hiểm mới phát hiện: Đặc tính ánh sáng khi lắp đèn: Ánh sáng trắng, chớp nháy rất nhanh nhóm 9, chu kì 10,0 giây. 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s + 0,25s +0,25s +5,75s = 10s đ) Báo hiệu chƣớng ngại vật nguy hiểm mới phát hiện ở phía phải luồng: Đặc tính ánh sáng khi lắp đèn: Ánh sáng xanh lục, chớp nháy đơn nhanh, chu kì 1,0 giây. 0,25s + 0,75s = 1s e) Báo hiệu an toàn phía Bắc của chƣớng ngại vật nguy hiểm mới phát hiện: Đặc tính ánh sáng khi lắp đèn: Ánh sáng đỏ, chớp nháy đơn nhanh, chu kì 1,0 giây. 0,25s + 0,75s = 1s Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 20 1.3 MỘT SỐ LOẠI ĐÈN BÁO HIỆU HÀNG HẢI Các loại đèn thấu kính quay: VMS.RB.400 có tầm hiệu lực lớn nhất tới 27 hải lý VMS.RB.220 có tầm hiệu lực 20 hải lý VMS.MB.300 có tầm hiệu lực 15 hải lý Đèn VMSHD300 Thấu kính: thủy tinh đúc Hệ số truyền quang T>0,95 Vật liệu khung đèn: hợp kim nhôm Đèn VMSHD155 Thấu kính: Acrylic Trắng, đỏ, xanh, vàng Vật liệu khung đèn: hợp kim nhôm 1.4 KẾT LUẬN Trong chƣơng 1 em giới thiệu một số qui định về luật phân luồng hàng hải và đặc tính ánh sáng của các báo hiệu hàng hải trên các tuyến luồng do Bảo Đảm An Toàn Hàng Hải Việt Nam quản lí. Đây cũng chính là bài toán đặt ra mà luận văn tìm cách giải quyết. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 21 Chƣơng 2 TỔNG QUAN VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 Với các yêu cầu đã đƣợc đặt ra ở chƣơng 1, ta có thể dùng vi điều khiển để giải quyết. Trong đề tài này em đã chọn vi điều khiển họ 8051 để thực hiện. 2.1 TỔNG QUAN VỀ HỌ 8051 2.1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển họ vi điều khiển 8051 Vào năm 1981, hãng Intel cho ra mắt một bộ vi điều khiển đƣợc gọi là 8051. Bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và bốn cổng 8 bít. Tất cả đều đƣợc tích hợp trên một chip. Lúc bấy giờ, bộ vi điều khiển nhƣ vậy đƣợc coi là một “hệ thống trên chip”. 8051 là bộ vi xử lý 8 bit, tức CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu. Dữ liệu lớn hơn 8 bit đƣợc chia thành các dữ liệu 8 bit để xử lý. 8051 có tất cả 4 cổng vào/ra, mỗi cổng rộng 8 bit, xem hình 1.2. 8051 có thể có một ROM trên chip cực đại là 64K byte. Tuy nhiên lúc đó các nhà sản xuất đã cho xuất xƣởng chỉ 4K byte ROM trên chip. 8051 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kì dạng biến thể nào của 8051 mà họ muốn với điều kiện họ phải để mã chƣơng trình tƣơng thích với 8051. Từ đó dẫn đến sự ra đời của nhiều phiên bản 8051 với tốc độ khác nhau và dung lƣợng RAM trên chip khác nhau. Tuy nhiên, điều quan trọng là mặc dù có nhiều biến thể của 8051, nhƣ khác nhau về tốc độ và dung lƣợng nhớ ROM trên chip, nhƣng tất cả các lệnh đều tƣơng thích với 8051 ban đầu. Điều này có nghĩa là, nếu chƣơng trình đƣợc viết cho một phiên bản 8051 nào đó thì cũng sẽ chạy đƣợc với mọi phiên bản khác mà không phụ thuộc vào hãng sản xuất. Bảng 2.1 Các đặc tính của 8051 đầu tiên Đặc tính Số lƣợng ROM trên chip RAM Bộ định thời Chân vào/ra Cổng nối tiếp Nguồn ngắt 4K byte 128 byte 2 32 1 6 Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 22 Bộ vi điều khiển 8051 Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên của họ 8051. Hãng Intel ký hiệu là MSC51. Bảng 2.1 giới thiệu một số thông số kỹ thuật của 8051. Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ vi điều khiển 8051 2.1.2 Các thành viên khác của họ 8051 Có hai bộ vi điều khiển thành viên khác của họ 8051 là 8052 và 8031. a) Bộ vi điều khiển 8052 8052 là một thành viên của họ 8051. 8052 có tất cả các thông số kỹ thuật của 8051, ngoài ra còn có thêm 128 byte RAM, 4K byte ROM và một bộ định thời nữa. Nhƣ vậy, 8052 có tổng cộng 256 byte RAM, 8K byte ROM (8051 có 4K byte ROM) và ba bộ định thời. Xem bảng 2.2 Bảng 2.2 Một số thông số chính các thành viên họ 8051 Đặc tính 8051 8052 8031 ROM trên chip (byte) 4K 8K 0K RAM (byte) 128 256 128 Bộ định thời 2 3 2 Chân vào/ra 32 32 32 Cổng nối tiếp 1 1 1 Nguồn ngắt 6 8 6 Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 23 Nhƣ thấy từ bảng 2.2, 8051 là một trƣờng hợp riêng của 8052. Mọi chƣơng trình viết cho 8051 đều chạy đƣợc trên 8052, nhƣng điều ngƣợc lại là không đúng. b) Bộ vi điều khiển 8031 8031là một thành viên khác của họ 8051. Chip này thƣờng đƣợc coi là 8051 không có ROM trên chip. Để có thể dùng đƣợc chip này cần phải bổ sung ROM ngoài chứa chƣơng trình cần thiết cho 8031. 8051 có chƣơng trình ở ROM trên chip bị giới hạn đến 4K byte, còn ROM ngoài của 8031 thì có thể lên đến 64K byte. Tuy nhiên, để có thể truy cập hết bộ nhớ ngoài cần dùng thêm hai cổng, do vậy chỉ còn lại hai cổng để sử dụng. Nhằm khắc phục vấn đề này, chúng ta có thể bổ sung thêm cổng vào/ra cho 8031. c) Các phiên bản của 8051 8051 là thành viên phổ biến nhất của họ 8051, tuy nhiên chúng ta không thấy nguyên phần ký hiệu số “8051” trên chip. Sở dĩ nhƣ vậy là do 8051 có nhiều phiên bản, ví dụ với các kiểu bộ nhớ khác nhau nhƣ UV- PROM, Flash và NV-RAM và chúng đều đƣợc thể hiện trên linh kiện. Ví dụ, 8051 với bộ nhớ UV-PROM đƣợc ký hiệu là 8751. Phiên bản Flash ROM cũng đƣợc nhiều hãng sản xuất, chẳng hạn của Atmel Corp có tên gọi là AT89C51. Còn phiên bản NV-RAM của Dalas-Conductor thì gọi là DS5000. Ngoài ra còn có nhiều phiên bản OTP (khả trình một lần) cũng đƣợc nhiều hãng sản xuất. Bộ vi điều khiển 8751 Chip 8751 chỉ có 4K byte bộ nhớ UV-EPROM trên chip. Để sử dụng chip này cần có bộ đốt PROM và bộ xóa UV-UPROM. Do ROM trên chip của 8751 là UV-EPROM, nên cần phải mất 20 phút để xóa 8751 trƣớc khi đƣợc lập trình. Vì đây là quá trình mất nhiều thời gian nên nhà sản xuất đã cho ra mắt phiên bản Flash ROM và UV-RAM. Ngoài ra còn có nhiều phiên bản với các tốc độ khác nhau. Bộ vi điều khiển AT8951 của Atmel Corporation AT 8951 là phiên bản 8051 có ROM trên chiplà bộ nhớ Flash. Phiên bản này rất thích hợp cho các ứng dụng nhanh vì bộ nhớ Flash có thể đƣợc xóa trong vài giây (chứ không phải trong 20 phút nhƣ 8751 ). Dĩ nhiên là để dùng AT8951 cần phải có một bộ đốt ROM hỗ trợ bộ nhớ Flash, song lại Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 24 không cần bộ xóa ROM vì bộ nhớ Flash đƣợc xóa bằng bộ đốt PROM. Để tiện sử dụng, hiện nay Hãng Atmel đang nghiên cứu một phiên bản của AT 89C51 có thể đƣợc lập trình qua cổng COM của máy tính PC và nhƣ vậy sẽ không cần bộ đốt PROM. Bảng 2.3 Các phiên bản khác của 8051 của Atmel (Flash ROM ) Ký hiệu ROM RAM Chân I/O Timer Ngắt Vcc Đóng vỏ AT89C51 4K 128 32 2 6 5V 40 AT89LV51 4K 128 32 2 6 3V 40 AT89C1051 1K 64 15 1 3 3V 20 AT89C2051 2K 128 15 2 6 3V 20 AT89C52 8K 128 32 3 8 5V 40 AT89LV52 8K 128 32 3 8 3V 40 Ghi chú: * Chữ C trong ký hiệu AT89C51 là CMOS Thông số về kiểu đóng vỏ và tốc độ của bộ vi điều khiển cũng đƣợc thể hiện ở ký hiệu. Ví dụ, từ bảng 2.4, chữ “C” đứng trƣớc số 51 ở ký hiệu AT89C51-12PC là để chỉ công nghệ CMOS ( tiêu thụ năng lƣợng thấp ), “12” để chỉ tốc độ 12 MHZ và “P” là kiểu đóng vỏ DIP, và chữ “C” cuối cùng là ký hiệu cho thƣơng mại ( ngƣợc với chữ “M” là quân sự ). AT89C51- 12PC rất thích hợp cho các thử nghiệm của học sinh, sinh viên. Bảng 2.4 Các phiên bản 8051 với tốc độ khác nhau của Atmel Ký hiệu Tốc độ Số chân Đóng vỏ Mục đích AT89C51-12PC 12MHZ 40 DTP Thƣơng mại Bộ vi điều khiển DS5000 của Hãng Dallas Semiconductor Một phiên bản phổ biến khác nữa của 8051 là DS5000 của Hãng Dallas Semiconductor. Bộ nhớ ROM trên chip của DS5000 là NV-RAM. DS5000 có khả năng nạp chƣơng trình vào ROM trên chip khi nó vẫn ở trong hệ thống mà không cần phải lấy ra. Cách thực hiện là dùng qua cổng COM của máy tính IBM PC. Đây là một điểm mạnh rất đƣợc ƣa chuộng. Ngoài ra, NV-RAM còn có ƣu việt là cho phép thay đổi nội dung ROM theo từng byte. Nhắc lại là, bộ nhớ Flash và EPROM phải đƣợc xóa hết trƣớc khi lập trình lại. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 25 Bảng 2.5 Các phiên bản 8051 của Hãng Dallas Semiconductor Mã linh kiện ROM RAM Chân I/O Timer Ngắt Vcc Đóng vỏ DS5000-8 DS5000-32 DS5000T-8* DS5000T-8* K 32K 8K 832K 128 128 128 128 32 32 32 32 2 2 2 2 6 6 6 6 5V 5V 5V 5V 40 40 40 40 Ghi chú: * Chữ “T” sau ký hiệu “5000” là có đồng hồ thời gian thực,. Lƣu ý đồng hồ thời gian thực RTC khác với bộ định thời Timer. RTC tạo và lƣu giữ thời gian của ngày ( giờ, phút, giây ) và ngày tháng ( ngày, tháng, năm ) kể cả khi tắt nguồn. Còn nhiều phiên bản DS5000 với tốc độ và kiểu đóng gói khác nhau nhƣ trình bày ở bảng 6. Ví dụ, DS5000-8-8 có 8K NV-RAM và tốc độ 8MHZ. Thông thƣờng DS5000-8-12 hoặc DS5000T-8-12 là thích hợp cho các nghiên cứu, thử nghiệm của sinh viên. Bảng 2.6 Các phiên bản của DS5000 với các tốc độ khác nhau Mã linh kiện NV-RAM Tốc độ DS5000-8-8 DS5000-8-12 DS5000-32-8 DS5000T-32-12 DS5000-32-12 DS5000-8-12 8K 8K 32K 32K 32K 8K 8MHZ 12MHZ 8MHZ 8MHZ 12MHZ 12MHZ ( có RTC ) Phiên bản OTP của 8051 Phiên bản OTP ( One Timer Programmable ) của 8051 là các chip 8051 có thể lập trình đƣợc một lần và đƣợc nhiều hãng sản xuất khác nhau cung cấp. Các phiên bản Flash và NV-RAM thƣờng đƣợc dùng để phát triển sản phẩm mẫu. Khi sản phẩm mẫu đƣợc hàn tất thì phiên bản OTP của 8051 đƣợc dùng để sản xuất hàng loạt vì giá thành trên một đơn vị sản phẩm sẽ rẻ hơn nhiều. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 26 Họ 8051 của Hãng Phillips Một nhà sản xuất quan trọng khác của họ 8051 là Phillips Corpration. Quả thực, hãng này có một dải lựa chọn các bộ vi điều khiển họ 8051 rất rộng. Nhiều sản phẩm của hãng đã gộp luôn một số chức năng nhƣ bộ chuyển đổi ADC, DAC, cổng I/O mở rộng, cả các phiên bản OTP và Flash. 2.2 KHÁI QUÁT VỀ IC AT89C2051 2.2.1 Một số đặc tính Đây là một vi điều khiển của Hãng Atmel, đầy đủ các tính năng nhƣ chip 89C51. - Chip này chỉ có 20 chân, 15 đƣờng xuất nhập - Điện áp làm việc : 2,7 V -> 6V. (Thƣờng dùng ở mức 5V). - Tần số làm việc: Tần số dao động thạch anh từ 0 tới 24M HZ. - ROM : 2K by te Flash ROM . - RAM : 128 by tes. - Hai bộ định thì 16 bit. - Lập trình tuần tự bằng kênh UART. - Có 6 nguồn ngắt - Có 2 mức khóa bộ nhớ chƣơng trình - Có cổng nối tiếp . - Hai bộ so sánh Analog tích hợp sẵn trên chip . - Trực tiếp tiếp điều khiển LED ngõ ra. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 27 2.2.2 Cấu hình 2.2.2.1 Sơ đồ khối Hình 2.2 Sơ đồ khối bên trong AT89C2051 - RAM ADDR. REGISTER: thanh ghi địa chỉ RAM . - RAM: vùng nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM). - FLASH: vùng nhớ FLASH. - B REGISTER: thanh ghi B. - ACC: thanh chứa. - STACK POINTER: con trỏ vùng nhớ xếp chồng. - PROGRAM ADDRESS REGISTER: thanh ghi địa chỉ chƣơng trình. - TMP1: thanh ghi tạm 1 - TMP2: thanh ghi tạm 2 - ALU: đơn vị số học/logic. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 28 - BUFFER: bộ đệm. - PC INCREMENTER: bộ tăng thanh ghi đếm chƣơng trình PC. - INTERRUPT, SERIAL PORT AND TIMER BLOCKS: các khối ngắt, port nối tiếp và định thời. - PROGRAM COUNTER: bộ đếm chƣơng trình PC. - PSW: từ trạng thái chƣơng trình. - TIMING AND CONTROL: mạch logic điều khiển và định thời. - INSTRUCTION REGISTERED: thanh ghi lệnh. - DPTR: con trỏ dữ liệu . - PORT1 LATCH: bộ chốt port 1. - PORT3 LATCH: bộ chốt port 3. - ANALOG COMPARTOR: bộ so sánh tƣơng tự . - OSC: mạch dao động. - PORT 1 DRIVERS: các mạch kích port 1. - PORT 3 DRIVERS: các mạch kích port 3. 2.2.2.2 Sơ đồ chân Hình 2.3 Sơ đồ chân AT89C2051 24PC Vcc: Chân cấp điện áp Vcc cho chip ( Chân số 20 ). GND: Chân nối mass (Chân số 10). Port 1 Port 1 là port I/O (port nhập/xuất: input/output port) hai chiều 8-bit. Các chân của port từ P1.2 đến P1.7 cung cấp các mạch kéo lên bên trong (internal pull-ups). Các chân P1.0 và P1.1 yêu cầu các mạch kéo lên bên ngoài Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 29 . P1.0 và P1.1 cũng còn đƣợc sử dụng làm ngõ vào dƣơng (AIN0) và ngõ vào âm (AIN1), theo thứ tự của mạch so sánh tƣơng tự chính xác trên chip (on – chip precision analog comparator). Các mạch đệm ngõ ra (output buffer) của port 1 có thể hút dòng 20mA và kích trực tiếp các bộ hiện thị LED. Khi các logic 1 đƣợc ghi đến các chân của port 1, các chân này có thể đƣợc sử dụng làm các ngõ vào. Khi các chân từ P1.2 đến P1.7 đƣợc sử dụng làm các ngõ vào và đƣợc kéo xuống mức thấp từ bên ngoài, chúng sẽ cung cấp dòng (IIL) do các mạch kéo lên bên trong. Port 1 cũng nhận dữ liệu chƣơng trình hay dữ liệu mã (code data) trong thời gian lập trình và kiểm tra bộ nhớ Flash. Port 3 Các chân của port 3 từ P3.0 đến P3.5, P3.7 là chân I/O hai chiều với các mạch kéo lên bên trong. P3.6 đƣợc nối dây cứng làm ngõ vào nối đến ngõ ra của mạch so sánh trên chip và không thể truy cập nhƣ một chân I/O có mục đích tổng quát. Các mạch đệm ngõ ra của port 3 có thể hút dòng 20mA. Khi các logic đƣợc ghi đến các chân của port 3, các chân này đƣợc kéo lên mức cao bởi các mạch kéo lên bên trong và có thể đƣợc sử dụng làm các ngõ vào. Khi là các ngõ vào, các chân nào của port 3 đƣợc kéo xuống mức thấp bởi mạch bên ngoài sẽ cung cấp dòng (IIL) do các mạch kéo lên. Các chân của port 3 còn đƣợc sử dụng cho các chức năng đặc biệt khác của AT89C2051 nhƣ đƣợc liệt kê dƣới đây ( bảng 2.7). Port 3 cũng nhận một số tín hiệu điều khiển để lập trình và kiểm tra bộ nhớ Flash. Bảng 2.7 Các chức năng khác của cổng P3 Port Pin Chức năng thay thế P3.0 RXD ( chân nhận dữ liệu cổng nối tiếp ) P3.1 TXD ( chân phát dữ liệu cổng nối tiếp ) P3.2 INT0 (ngắt ngoài 0) P3.3 INT1 (ngắt ngoài 1) P3.4 T0 (Timer 0 ngõ vào bên ngoài) P3.5 T1 (Timer 1 ngõ vào bên ngoài) Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 30 RST: Ngõ vào reset (thiết lập lại trạng thái ban đầu). Tất cả các chân I/O đƣợc reset đến mức logíc ngay sau khi RST lên mức cao. Việc duy trì chân RST ở mức cao trong 2 chu kỳ máy trong khi mạch dao động đang hoạt động sẽ reset chip. RST=0: Chíp hoạt động bình thƣờng. RST=1: Chíp đƣợc thiết lặp lại trạng thái ban đầu. XTAL1: Ngõ vào mạch tạo xung clock trong chip và ngõ vào bộ khuếch đại đảo chiều. XTAL2: Ngõ ra từ bộ khuếch đại đảo chiều. XTAL1 và XTAL2 là ngõ vào và ngõ ra, theo thứ tự của mạch khuếch đại đảo có thể đƣợc cấu hình để trở thành mạch dao động trên chip nhƣ đƣợc trình bày ở hình 2.4. Một tinh thể thạch anh hoặc mạch cộng hƣởng gốm đều có thể sử dụng đƣợc. Để kích chip từ nguồn xung clock bên ngoài, chân XTAL 2 sẽ không kết nối trong khi chân XTAL1 đƣợc kích nhƣ đƣợc trình bày ở hình 2.5. Không có yêu cầu nào về chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu xung clock bên ngoài vì ngõ vào đến mạch tạo xung clock bên trong sẽ đi qua một flipflop làm nhiệm vụ chia 2 tần số, nhƣng các đặc tính về điện áp tối thiểu và tối đa của mức cao và mức thấp phải đƣợc xem xét. Lƣu ý: C1,C2 = 30pF 10pF đối với các thạch anh. C1,C2 = 40pF 10pF đối với các bộ cộng hƣởng gốm. Hình 2.4: Nối đồng hồ thạch anh Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 31 Hình 2.5 Nối đồng hồ ngoài 2.2.2.3 Thanh ghi có chức năng đặc biệt ( SFR ) Một bản đồ vùng nhớ trên chip đƣợc gọi là không gian thanh ghi chức năng đặc biệt SFR (special function registor) đƣợc trình bày ở bảng trên đây (bảng 2.8). Lƣu ý rằng không phải tất cả địa chỉ đều bị chiếm bởi các thanh ghi này, các địa chỉ không bị chiếm có thể không đƣợc thực hiện trên chip. Các truy cập đọc đến các địa chỉ này trong trƣờng hợp tổng quát, sẽ trả về dữ liệu ngẫu nhiên và các truy cập ghi sẽ có tác động không rõ ràng. Phần mềm của ngƣời sử dụng không nên ghi các logic 1 đến các vị trí nhớ không đƣợc liệt kê vì chúng có thể đƣợc sử dụng trong các sản phẩm tƣơng lai để đáp ứng các đặt tính mới. Trong trƣờng hợp đó, các giá trị do reset hoặc các giá trị không tích cực của các bit mới sẽ luôn luôn bằng 0. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 32 Bảng 2.8 Bảng AT89C2051 SFR và thiết lập giá trị 2.2.2.4 Bộ nhớ chƣơng trình khóa bit Trên chíp có hai bộ khóa bit có thể hoạt động không cần lập trình (U), hoặc có thể lập trình (P) để bổ sung thêm nhiều tính năng đƣợc liệt kê trong bảng dƣới đây. Bảng 2.9 Các chế độ bảo vệ của bit khóa Các bit khoá chƣơng trình LB1 LB2 Loại bảo vệ 1 U U Không có tính chất khoá chƣơng trình. 2 P U Việc lập trình thêm nữa cho bộ nhớ Flash bị cấm. 3 U U Tƣơng tự chế độ 2, việc kiểm tra cũng bị cấm. Lƣu ý: các bit khoá chỉ có thể bị xoá bằng thao tác xoá chip Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 33 2.2.2.5 Chế độ nghỉ Trong chế độ nghỉ CPU sẽ tự ngủ, trong khi tất cả các ngoại vi khác trên chip điều hoạt động và điều duy trì trạng thái ở chế độ tích cực. Chế độ này đƣợc yêu cầu bởi phần mềm. Nội dung của RAM trên chip và tất cả trên các thanh ghi chức năng đặc biệt điều giữ nguyên không thay đổi trong thời gian ở chế độ này. Chế độ nghỉ có thể đƣợc kết thúc bởi cách ngắt bất kì đƣợc phép hoặc bằng cách reset phần cứng. Các chân P1.0 và P1.1 sẽ đƣợc thiết lập bằng 0 nếu không sử dụng các mạch kéo lên bên ngoài hoặc đƣợc thiết lập bằng 1 nếu có mạch kéo lên bên ngoài. Cũng cần lƣu ý rằng khi chế độ nghỉ đƣợc kết thúc bởi một reset cứng, chip sẽ tiếp tục thực thi chƣơng trình bình thƣờng từ nơi chƣơng trình bị rời bỏ, đến 2 chu kỳ máy trƣớc giải thuật reset bên trong lấy quyền điều khiển. Phần cứng trên chip ngăn cản việc truy cập đến RAM bên trong ở chế độ này nhƣng không cấm việc truy cập đến các chân của port. Để loại bỏ khả năng có một thao tác không mong đợi đến một chân của port khi chế độ nghỉ đƣợc kết thúc bằng reset, lệnh theo sau lệnh yêu cầu chế độ nghỉ sẽ không thể là lệnh ghi đến một chân port hoặc bộ nhớ ngoài. 2.2.2.6 Chế độ giảm công suất ( power-down ) Ở chế độ power-down, bộ dao động ngừng , chƣơng trình sẽ gọi power- down và lệnh cuối cùng đƣợc thực hiện. Trên chíp nội dung RAM và tất cả các giá trị trong thanh ghi đặc biệt cũng sẽ không đổi ở chế độ này cho đến khi chế độ này kết thúc. Chế độ power - down chỉ thoát ra khi reset lại phần cứng. Thiết lập lại giá trị các SFR ( thanh ghi có chức năng đặc biệt) nhƣng trên RAM vẫn giữ nguy ên. Chú ý: Không nên reset lại trƣớc khi Vcc đƣợc phục hồi lại hoạt động bình thƣờng và p hải đƣợc giữ mức tích cực đủ dài, để cho phép bộ dao động khởi động lại và làm việc ổn định. Lƣu ý: Ở cả hai chế độ nghỉ và chế độ power-donw, P1.0 và P1.1 nên set ở mức "0" nếu không sử dụng điện trở bên ngoài để kéo lên, hoặc set ở mức "1" nếu sử dụng điện trở bên ngoài để kéo lên. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 34 2.2.2.7 Lập trình Flash AT89C2051 trên thị trƣờng có dải nhớ chƣơng trình PEROM trên chip là 2K byte ở trạng thái đã đƣợc xóa (nghĩa là toàn bộ nội dung của các byte là FFH) và sẵn sàng đƣợc lập trình. Dải nhớ chƣơng trình đƣợc lập trình một byte cho mỗi thời điểm. Một khi dải này đã đƣợc lập trình, để lập trình lại bất kì byte nào không trống, toàn bộ dải nhớ đƣợc xóa bằng điện. Bộ đếm địa chỉ bên trong AT89C2051 có một bộ đếm địa chỉ PEROM bên trong, bộ đếm này luôn luôn đƣợc thiết lập là 00H ở cạnh lên của RST và đƣợc tăng lên bằng cách áp dụng xung đang trở thành mức dƣơng (positve going pluse) đến chân XTAL1. Giải thuật chương trình Để lập trình AT89C2051, theo trình tự sau đây. 1. Trình tự cấp điện: Cấp điện giữa các chân VCC và GND Thiết lập RST và XTAL1 đến mức thấp (GND) 2. Thiết lập RST lên mức cao („H‟) Thiết lập chân P3.2 lên mức cao („H‟) 3. Áp dụng tổ hợp các mức logic „H‟ và „L‟ thích hợp đên các chân P3.3, P3.4, P3.5 và P3.7 để chọn 1 trong các thao tác lập trình đƣợc trình bày trong bảng các chế độ lập trình PEROM (PEROM proramming modes table). Để lập trình và kiểm tra dải nhớ chƣơng trình: 4. Đặt dữ liệu của byte chƣơng trình ( hay còn gọi là byte mã) ở vị trí 00h đến các chân từ P1.0 đến P1.7. 5. Tăng RST lên 12V để cho phép lập trình. 6. Đƣa một xung đến chân P3.2 để lập trình một byte trong dải PEROM hoặc các bit khóa. Chu kỳ ghi byte đƣợc tự định thời và điển hình chiếm 1,2ms. 7. Để kiểm tra dữ liệu đã lập trình, giảm thấp RST từ 12V xuống mức logic cao „H‟ và thiết lập các chân từ P3.3 đến P3.7 đến các mức logic thích hợp. Dữ liệu xuất có thể đƣợc đọc ở các chân của port 1. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 35 8. Để lập trình một byte ở vị trí địa chỉ kế tiếp, đƣa một xung đến XTAL1 để tăng bộ đếm địa chỉ bên trong (internal address counter), đặt dữ liệu mới đến các chân của port 1. 9. Lập lại các bƣớc từ 6 đến 8, thay đổi dữ liệu và tăng bộ đếm địa chỉ cho toàn bộ dải byte hoăc cho đến khi kết thúc tập tin đối tƣợng (object file). 10. Trình tự ngắt nguồn điện. Thiết lập XTAL1 đến mức thấp („L‟) Thiết lập RST đến mức thấp („L‟) Tắt nguồn cấp điện cho VCC. Data Polling: AT89C2051 có Data Polling để chỉ ra việc kết thúc một chu kỳ ghi. Trong thời gian của một chu kỳ ghi, việc thử đọc byte sau cùng đƣợc ghi sẽ dẫn đến việc lấy bù dữ liệu đƣợc ghi trên chân P1.7. Một khi chu kỳ ghi đã kết thúc, dữ liệu sẽ có hiệu lực trên tất cả các ngõ ra và chu kỳ kế tiếp có thể bắt đầu. Data Polling có thể bắt đầu bất cứ lúc nào sau khi một chu kỳ ghi đƣợc khởi động. Ready/Busy : Tiến trình lập trình byte cũng có thể giám sát bằng tín hiệu ngõ ra Ready/ Busy . Chân P3.1 đƣợc kéo xuống mức thấp sau khi chân P3.2 trở thành mức cao trong thời gian lập trình sẽ chỉ ra trạng thái bận (Busy). Chân P3.1 đƣợc kéo lên mức cao lấn nữa khi việc lập trình kết thúc sẽ chỉ ra trạng thái sẵn sàng (Ready). Program verify ( kiểm tra chƣong trình ): Nếu các bit khóa LB1 và LB2 đã không đƣợc lập trình, dữ liệu chƣơng trình có thể đọc ngƣợc về thông qua các đƣờng dữ liệu để kiểm tra: 1. Reset bộ đếm địa chỉ bên trong về 00H để mang RST từ „L‟ lên „H‟. 2. Đặt các tín hiệu thích hợp để đọc dữ liệu chƣơng trình và đọc dữ liệu ngõ ra ở các chân của port 1. 3. Đƣa một xung đến chân XTAL1 để tăng bộ đếm địa chỉ bên trong. 4. Đọc byte dữ liệu kế tiếp ở các chân của port 1. 5. Lập lại các bƣớc 3 và 4 cho đến khi toàn bộ dải nhớ chƣơng trình đƣợc đọc. Các bit khóa không thể đƣợc kiểm tra trực tiếp. Việc kiểm tra các bit khóa sẽ nhận đƣợc bằng cách tuân theo các tính chất đƣợc cho phép của chúng. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 36 Chip erase (xóa chip): Toàn bộ dải PEROM (2K byte) và hai bit khóa đựơc xóa bằng điện bằng sử dụng tổ hợp thích hợp các tín hiệu điều khiển và bằng cách giữ cho chân P3.2 ở mức thấp trong 10ms. Dải nhớ chƣơng trình đƣợc ghi với tất cả các bit điều là 1 trong thao tác xóa chip và phải đƣợc thực hiện trƣớc khi bất kỳ byte nhớ không trống nào có thể đƣợc lập trình lại. Reading the signature bytes (đọc các byte chữ ký ): Các byte chữ ký đƣợc đọc với cùng thủ tục nhƣ việc kiểm tra bình thƣờng các vị trí nhớ 000H, 001H, 002H, ngoại trừ các chân P3.3 và chân P3.5 phải đƣợc kéo xuống mức logic thấp. Các giá trị đƣợc trả về nhƣ sau: (000H) = 1EH chỉ ra đƣợc sản xuất bởi Atmel. (001H) = 21H chỉ ra 89C2051 2.2.2.8 Giao diện lập trình Mọi mã by te trong mảng Flash đƣợc ghi và toàn bộ mảng có thể xóa bỏ bằng cách sử dụng kết hợp thích hợp của các tín hiệu điều khiển. Ghi chu kỳ hoạt động là tự hẹn giờ và sau mỗi lần triển khai sẽ tự động điều chỉnh ph ù hợp thời gian để hoàn thành. Các giới hạn trên một số lệnh : AT89C2051 là một thành viên tiết kiệm và có hiệu quả về giá thành của họ vi điều khiển đang phát triển của Atmel. Chip này chứa 2K bộ nhớ chƣơng trình Flash. Chip này hoàn toàn tƣơng thích với kiến trúc MCS-51 và có thể đƣợc lập trình bằng cách sử dụng tập lệnh MCS-51. Tuy nhiên, có vài cân nhắc mà ta phải chú ý khi sử dụng một số lập trình của chip này. Tất cả các lệnh liên quan đến các hoạt động nhảy và rẽ nhánh sẽ bị giới hạn, chẳng hạn nhƣ địa chỉ đích rơi vào trong không gian nhớ của chip, không gian này là 2K byte với AT89C2051. Vấn đề này là trách nhiệm của nguời lập trình phần mềm. Thí dụ, lệnh LJMP 7E0H sẽ là lệnh hợp lệ đối với AT89C2051 (có 2K byte bộ nhớ chƣơng trình) trong khi đó lệnh LJMP 900H là lệnh không hợp lệ. Các lệnh rẽ nhánh LCALL, LJMP, ACALL, SJMP, SJMP@A+DPTR - Các lệnh rẽ nhánh không điều kiện này sẽ thực thi đúng miễn là ngƣời lập trình lƣu ý rằng địa chỉ đích rẽ nhánh phải nằm trong giới hạn vật lý của kích thƣớc bộ nhớ chƣơng trình (các vị trí nhớ từ 00H đến 7FFH đối với AT89C2051). Việc vi Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 37 phạm các giới hạn không gian vật lý có thể gây ra hành vi không biết đƣợc của chƣơng trình. CJNE [. . . ], DJNZ [. . . ], JB, JNB, JC, JNC, JBC, JZ, JNZ - Với các lệnh rẽ nhánh có điều kiện này, các quy luật giống nhƣ ở trên cũng đƣợc áp dụng. Một lần nữa, việc vi phạm các giới hạn bộ nhớ vật lý sẽ làm cho chƣơng trình thực thi không đúng. Đối với các ứng dụng bao gồm các cách ngắt, các vị trí địa chỉ của chƣơng trình phục vụ ngắt (interrupt service rountine) bình thƣờng của cấu trúc họ AT89C2051 đƣợc bảo toàn. Các lệnh liên quan đến MOVX, bộ nhớ dữ liệu AT89C2051 chứa 128 byte bộ nhớ dữ liệu bên trong (intenal data memory). Nhƣ vậy trong AT89C2051, kích thƣớc của bộ xếp chồng (stack depth) đƣợc giới hạn tới 128 byte, đây là dung lƣợng của RAM có sẵn. Việc truy cập bộ nhớ bên ngoài không đƣợc hỗ trợ trong chip này và việc thực thi chƣơng trình bên ngoài cũng không đƣợc hỗ trợ. Nhƣ vậy không có lệnh MOVX [. . . ] nào chứa trong chƣơng trình. Một trình dịch hợp ngữ (assembler) điển hình của 89C51 vẫn dịch các lệnh này, ngay cả khi chúng đƣợc viết dƣới dạng vi phạm các giới hạn đã đề cập ở trên. Ngƣời sử dụng bộ vi điều khiển phải có trách nhiệm phải biết các tính chất vật lý và giới hạn của linh kiện đang đƣợc sử dụng và điều chỉnh các lệnh đƣợc sử dụng một cách thích hợp. Các giới hạn trên đây cho ta thấy các khuyết điểm của AT89C2051. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 38 2.2.2.9 Chế độ lập trình Flash Bảng 2.10 Các chế độ lập trình Flash Lƣu ý: 1. Bộ đếm địa chỉ PEROM bên trong đƣợc reset về 000H ở cạnh lên của RST và đƣợc tăng bởi xung dƣơng ở chân XTAL 1. 2. Việc xóa chip yêu cầu xung PROG kéo dài 10ms. 3. Chân P3.1 đƣợc kéo xuống mức thấp trong thời gian lập trình để chỉ ra READY/BUSY Write code data: ghi dữ liệu chƣơng trình. Read code data: đọc dữ liệu chƣơng trình. Write lock : ghi các bit khóa. Chip erase : xóa chip. Read signature byte : đọc byte chữ ký Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 39 Bảng 2.11 Các đặc điểm lập trình Flash Ký hiệu Thông số Min Max Đơn vị VPP Điện áp cho phép lập trình. 11.5 12.5 V IPP Dòng điện cho phép lập trình. 250 µA tDVGL Thời gian từ lúc dữ liệu đến khi PROG ở mức thấp. 1.0 µs tGHDX Thời gian giữ dữ liệu sau khi PROG tích cực. 1.0 µs t EHSH Thời gian P3.4 ( NABLE ) từ „H‟ lên VPP. 1.0 µs tSHGL Thời gian từ lúc thiết lập VPP đến khi PROG ở mức thấp. 10 µs tGHSL Thời gian giữa VPP sau khi PROG tích cực. 10 µs tGLGH Độ rộng của PROG. 1 110 µs tELQV Thời gian từ lúc ENABLE ở mức thấp cho đến khi dữ liệu có hiệu lực. 1.0 µs tEHQZ Thời gian thả nổi dữ liệu sau khi ENABLE tích cực. 0 1.0 µs tGHBL Thời gian từ khi PROG ở mức cao cho đén khi BUSY ở mức thấp. 50 ns tWC Thời gian của chu kỳ ghi byte. 2.0 ms tBHIH Trì hoãn từ RDY/BSY đến khi clock tăng. 1.0 µs tHIL Thời gian c0lock ở mức cao. 200 ns TA = 0 0C đến 700 C, VCC = 5.0 ± 10%. Chỉ sử dụng ở chế độ lập trình 12 V. 2.2.2.10 Đặc tính làm việc DC T = - 40oC -> 80oC, Vcc = 2,7V -> 6V. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 40 Bảng 2.12 Đặc tính làm việc AT89C2051 Ghi chú: Điều kiện để trạng thái ổn định là I phải ở giới hạn ngoài những hạn chế sau : Imax = 20mA Tổng dòng cực đại của I và các chân ngõ ra là 80mA. Nếu I vƣợt quá điều kiện cho phép, V có thể vƣợt qua các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan của chip. Các chân chip không đảm bảo khi dòng lớn hơn điều kiện cho phép. Vcc nhỏ nhất của chế độ p ower - down là 2V. Các ƣớc lƣợng cực đại tuyệt đối Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 41 Tầm nhiệt độ hoạt động: từ -550C đến +1250C. Tầm nhiệt độ tích trữ: từ -660C đến +1500C. Điện áp trên bất kì chân nào so với đất (GND): -1.0 V đến +7 V. Điện áp cấp điện cực đại: 6.6 V. Dòng DC ngõ ra: 25.0 mA. Các dạng sóng lập trình và kiểm tra Flash Hình 2.6 Các dạng sóng lập trình và kiểm tra Flash Dạng sóng mạch kích xung clock bên ngoài Hình 2.7 Dạng sóng mạch kích xung clock bên ngoài. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 42 Bảng 2.13 Các thông số của mạch kích xung clock bên ngoài Ký hiệu Thông số VCC=2.7V đến 6.0V Min Max VCC=4.0V đến 6.0V Min Max Đơn vị 1/tCLCL Tần số dao động. 0 12 0 24 MHZ tCLCL Chu kỳ xung clock. 83.3 41.6 ns tCHCX Thời gian mức cao. 30 15 ns tCLCX Thời gian mức thấp. 30 15 ns tCLCH Thời gian tăng (cạnh lên). 20 20 ns tCHCL Thời gian giảm (cạnh xuống). 20 20 ns Định thời Port nối tiếp: Điều kiện kiểm tra chế độ thanh ghi dịch VCC = 5.0 ± 20%; điện dung tải = 80 pF. Bảng 2.14 Các điều kiện kiểm tra chế độ định thời thanh ghi dịch Ký hiệu Thông số Dao động 24 MHZ Min Max Dao động thay đổi Min Max Đơn vị Thời gian chu kỳ xung clock port nối tiếp. 1.0 12tCLCL µs Thời gian từ lúc thiết lập dữ liệu xuất đến cạnh lên của xung clock 700 10tCLCL – 133 ns Thời gian giữ dữ liệu xuất sau cạnh lên của xung clock. 50 2tCLCL – 177 ns Thời gian giữ dữ liệu nhập sau cạnh lên của xung clock 0 0 ns Thời gian từ cạnh lên xung clock đến khi dữ liệu nhậpcó hiệu lực. 700 10tCLCL – 133 ns Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 43 Các dạng sóng định thời chế độ thanh ghi dịch Hình 2.8 Dạng sóng định thời chế độ thanh ghi dịch. Dạng sóng ngõ vào/ra kiểm tra AC Hình 2.9 Dạng sóng ngõ vào/ngõ ra kiểm tra AC. Lƣu ý: Các ngõ vào AC trong thời gian kiểm tra đƣợc kích ở (VCC – 0.5) V đối với logic 1 và 0.45 V đối với logic 0. Các phép đo định thời đƣợc thực hiện ở VIHmin đối với logic 1và VILmax đối với logic 0. Dạng sóng thả nổi Hình 2.10 Dạng sóng thả nổi. Timing reference points: các điểm tham chiếu định thời. Lƣu ý: Đối với mục đích định thời, một chân port sẽ không còn thả nổi kho có sự thay đổi 100mV từ điện áp trên tải. Một chân port bắt đầu thả nổi khi có sự thay đổi 100mV từ mức VOH/VOL (có tải). Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 44 ICC ở chế độ tích cực Hình 2.11 ICC ở chế độ tích cực. ICC ở chế độ nghỉ và giảm công suất Hình 2.12: (a) ICC ở chế độ giảm công suất,(b) ICC ở chế độ nghỉ. 2.3 KẾT LUẬN Trong chƣơng 2 này phần đầu em giới thiệu tổng quan về vi điều khiển họ 8051 và một số loại vi điều khiển do các hãng khác nhau sản xuất. Tiếp theo em giới thiệu cụ thể về sơ đồ chân, các thông số kỹ thuật, các chế độ làm việc, lập trìnhcủa vi điều khiển AT89C2051 mà em sử dụng trong phần thiết kế mạch của mình ở chƣơng 3. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 45 Chƣơng 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN BÁO HIỆU LUỒNG GIAO THÔNG ĐƢỜNG THỦY 3.1 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN BÁO HIỆU LUỒNG GIAO THÔNG ĐƢỜNG THỦY 3.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống bao gồm khối điều khiển, khối hiển thị và khối nguồn. - Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn một chiều ổn định cho khối điều khiển và khối hiển thị. - Khối điều khiển có sử dụng IC AT89C2051 đƣợc lập trình để điều khiển đặc tính chớp của đèn báo hiệu luồng giao thông đƣờng thủy. - Khối hiển thị là đèn tiêu thụ điện áp 12V DC ( trong thực tế chính là đèn giao thông đƣờng thủy ). 3.2 THIẾT KẾ CÁC KHỐI 3.2.1 Khối nguồn 3.2.1.1 Sơ đồ khối AC DC Hình 3.2 Sơ đồ khối mạch nguồn Biến áp Bộ chỉnh lƣu cầu Bộ ổn áp Khối nguồn Khối điều khiển Khối hiển thị Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 46 Điện áp xoay chiều 220V AC qua biến áp đƣợc hạ xuống điện áp 12V AC. Sau đó điện áp xoay chiều 12V AC này đƣợc đƣa qua bộ chỉnh lƣu cầu để cho ra điện áp một chiều 12V. Điện áp một chiều đƣợc ổn áp qua IC 7812 để đầu ra ta đƣợc điện áp một chiều 12V DC ổn định. Trong mạch cần sử dụng điện áp 5V DC để cấp nguồn cho IC AT89C2051, vì thế ta có thể tạo điện áp 5V bằng cách cho nguồn 12V DC qua IC ổn áp 7805. 3.2.1.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Điện áp AC 220V đƣợc đƣa vào biến áp nguồn cho điện áp ra 12V AC. Điện áp này đƣa qua bộ cầu diode RB151 và đƣợc lọc qua tụ C1để tạo ra điện áp 12V DC. Sau đó cho qua IC ổn áp 7812 để tạo ra ngõ ra +12V ổn định cấp cho đầu vào khối hiển thị. Qua IC ổn áp 7805 tạo điện áp 5V DC cấp cho IC vi điều khiển. Led dùng để báo hiệu có nguồn. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 47 3.2.1.3 Sơ đồ mạch in Hình 3.4. Sơ đồ mạch in khối nguồn 3.2.2 Khối điều khiển và hiển thị 3.2.2.1 Sơ đồ mạch nguyên lý Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 48 Hình 3.5. Sơ đồ khối của khối điều khiển và hiển thị Nguyên lí hoạt động: Vi điều khiển AT89C2051 24PC đã đƣợc lập trình theo 6 chế độ đó là: - Mode0: (P1.0) Sáng 0.5s, tắt 2.5s. - Mode1: (P1.1) Sáng 0.5s, tắt 1s, sáng 0.5s, tắt 3.5s, sáng 0.5s, tắt 4s. - Mode2: (P1.2) Sáng 2s, tắt 2s. - Mode3: (P1.3) Sáng 0.5s, tắt 2.0s. - Mode4: (P1.4) Sáng 0.5s, tắt 0.5s. - Mode5: (P1.5) Sáng 0.5s, tắt 0.5s, sáng 1.5s, tắt 3.5s. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 49 Khi ta chọn đèn chớp sáng theo chế độ nào thì ta sẽ nối chân tƣơng ứng xuống mass để chọn Mode hoạt động. Để IC xuất dữ liệu ra hay không là nhờ chân số 2. Nếu chân số 2 của IC ở mức 0 thì tín hiệu không đƣợc xuất ra còn nếu chân số 2 ở mức 1 thì tín hiệu đƣợc xuất ra qua chân số 3. Mức logic ở chân số 2 đƣợc điều khiển nhờ mắt cảm biến ánh sáng và tranzito C1815. Khi chân 2 ở mức logic 1 tín hiệu từ Mode đã đƣợc lập trình đƣợc xuất ra tại chân 3 IC, tín hiệu này sẽ điều khiển IC PC817 từ đó điều khiển mạch công suất Darlington làm cho đèn chớp nháy theo yêu cầu. 3.2.2.2 Sơ đồ mạch in Hình 3.6. Sơ đồ mạch in khối điều khiển và hiển thị Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 50 3.3 LƢU ĐỒ THUẬT TOÁN Đ S S S S S Đ START P3.0 =1? P1.0=0? P1.5=0? P1.4=0? P1.3=0? P1.2=0? P1.1=0? Mode0: Den Sang 0.5s, Tat 2.5s Mode1: Den Sang 0.5s, Tat 1s, Sang 0.5s, Tat 3.5s, sang 5s, Tat 4s Mode2: Den Sang 2s, Tat 2s Mode3: Den Sang 0.5s, Tat 2s Mode4: Den Sang 0.5s, Tat 0.5s Mode5: Den Sang 0.5s, Tat 0.5s, Sang 1.5s, Tat 3.5s S S Đ Đ Đ Đ Đ Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 51 Trong lƣu đồ thuật toán: Khi chƣơng trình bắt đầu sẽ kiểm tra chân số 2 của AT89C2051 ( P3.0 ) nếu P3.0 = 1 là sai thì nó sẽ kết thúc chƣơng trình. Nếu P3.0 = 1 là đúng thì nó sẽ chạy tiếp chƣơng trình và kiểm tra lần lƣợt các điều kiện, đúng điều kiện nào thì nó sẽ chạy chƣơng trình tƣơng ứng còn sai sẽ quay lại thực hiện kiểm tra lại điều kiện. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 52 3.4 CHƢƠNG TRÌNH PHẦN MỀM #include lamp bit P3.1; nolamp bit P3.0; Mode0Enabled bit P1.0; /* SFR for P3.3 */ Mode1Enabled bit P1.1; /* SFR for P3.4 */ Mode2Enabled bit P1.2; /* SFR for P3.5 */ Mode3Enabled bit P1.3; //P3.6 Mode4Enabled bit P1.4; //P3.7 Mode5Enabled bit P1.5; iDelay equ 25h org 0000h ljmp Main ;--------------------------------- Main: jnb nolamp, Quit M0 : jb Mode0Enabled,M1 lcall Mode0 ljmp Quit M1: jb Mode1Enabled,M2 lcall Mode1 ljmp Quit M2 : jb Mode2Enabled, M3 lcall Mode2 ljmp Quit Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 53 M3: jb Mode3Enabled, M4 lcall Mode3 ljmp Quit M4: jb Mode4Enabled, M5 lcall Mode4 ljmp Quit M5: jb Mode5Enabled,Quit lcall Mode5 Quit: sjmp Main ret ;-----Che do 0------Sang 0.5s, tat 2.5s--------------------- Mode0: mov R5,#05h clr lamp; lcall Delay mov R5,#19h setb lamp lcall Delay ret ;---------Che do 1---Sang 0.5s, Tat 1s, Sang 0.5s, Tat 3.5s, sang 0.5s, Tat 4s------- Mode1: clr lamp; mov R5,#05h lcall Delay mov R5,#0Ah setb lamp; Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 54 lcall Delay clr lamp; mov R5,#05h lcall Delay setb lamp mov R5,#23h lcall Delay clr lamp mov R5,#05h lcall Delay setb lamp mov R5,#28h lcall Delay ret ;------Che do 2, Sang 2s, Tat 2s---------------------- Mode2: clr lamp; mov R5,#14h lcall Delay setb lamp; mov R5,#14h lcall Delay ret ;------Che do 3, Sang 0.5s, Tat 2s, ------------------------- Mode3: clr lamp; mov R5,#05h lcall Delay setb lamp; mov R5,#14h lcall Delay ret ;------Che do 4 : sang 0.5s, Tat 0.5s---------------------------- Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 55 Mode4: mov R5,#05h clr lamp; lcall Delay setb lamp; mov R5,#05h lcall Delay ret ;-------Che do 5: sang 0.5s, Tat 0.5s, Sang 1.5s, Tat 3.5s ----------------- Mode5: clr lamp; mov R5,#05h lcall Delay setb lamp mov R5,#05h lcall Delay clr lamp; mov R5,#0Fh lcall Delay setb lamp; mov R5,#23h lcall Delay ret ;------------------------------------ Delay: ;(delay 0.1s * R5 voi thach anh 24M) loop1: mov R4,#64h loop: mov R0,#FAh mov R1,#FAh mov R2,#F9h mov R3,#F9h djnz R0,$ ; 249 us voi thach anh 24MHZ Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 56 djnz R1,$ djnz R2,$ djnz R3,$ djnz R4,loop djnz R5,loop1 ret ;------------------------------- end Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 57 3.5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Sau khi nghiên cứu lý thuyết về đèn báo hiệu luồng hàng hải và vi điều khiển 8051 ta đã đƣa ra đƣợc mạch thực nghiệm điều khiển đặc tính chớp nháy của đèn báo hiệu luồng giao thông đƣờng thủy. Phần thực nghiệm đã lập trình cho vi điều khiển một số chu trình cụ thể nhƣ sau: - Mode0: (P3.0) Sáng 0.5s, tắt 2.5s. - Mode1: (P3.1) Sáng 0.5s, tắt 1s, sáng 0.5s, tắt 3.5s, sáng 0.5s, tắt 4s. - Mode2: (P3.2) Sáng 2s, tắt 2s. - Mode3: (P3.3) Sáng 0.5s, tắt 2.0s. - Mode4: (P3.4) Sáng 0.5s, tắt 0.5s. - Mode5: (P3.5) Sáng 0.5s, tắt 0.5s, sáng 1.5s, tắt 3.5s. Kết quả là IC vi điều khiển đã điều khiển đặc tính chớp nháy của khối hiển thị theo đúng yêu cầu đặt ra. Ví dụ: Khi Mode0 chạy thì đèn sẽ chớp nháy theo chu kỳ là : Sáng 0.5s và tắt 2.5s, đó là báo hiệu phía phải luồng( nếu đèn màu xanh lục ), là báo hiệu phía trái luồng ( nếu đèn màu đỏ ). Khi Mode1 chạy thì đèn sẽ chớp nháy theo chu kỳ là: Sáng 0.5s, tắt 1s, sáng 0.5s, tắt 3.5s, sáng 0.5s và tắt 4s, đó là báo hiệu luồng chính phía phải ( nếu đèn màu đỏ ), là báo hiệu luồng chính phía trái ( nếu đèn màu xanh lục ) Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 58 Một số hình ảnh mạch thực tế Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 59 Hình 3.7 Mô hình sản phẩm và các khối bên trong 3.6 KẾT LUẬN Trong chƣơng 3 em đã xây dựng hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đƣờng thủy. Với khối nguồn đƣa ra điện áp 12VDC và 5VDC cung cấp cho khối hiển thị và khối điều khiển. Khối điều khiển dùng IC AT89C2051 24PC đƣợc lập trình với một số Mode theo quy định của luật giao thông đƣờng thủy. Khối hiển thị dùng đèn 12V đảm bảo hiển thị đặc tính chớp nháy theo yêu cầu. Sau khi xây dựng mô hình đã hoạt động tốt với đặc tính chớp nháy ổn định đúng với yêu cầu đề ra. Điều đó chứng tỏ tính đúng đắn, logic giữa lý thuyết và thực tiễn. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 60 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu và làm đồ án, cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy cô giáo, gia đình và các bạn. Đặc biệt là Thạc sỹ Phạm Đức Thuận em đã hoàn thành nhiệm vụ đồ án của mình. Qua đồ án em đã thấy đƣợc ứng dụng quan trọng của vi điều khiển trong lĩnh vực điều khiển thiết bị điện nói chung và hệ thống đèn báo hiệu luồng giao thông đƣờng thủy nói riêng. Cũng qua đó em đã tích lũy đƣợc những kinh nghiệm làm việc quý báu và củng cố thêm kiến thức cho bản thân. ( Đó là những kiến thức về vi điều khiển, kinh nghiệm thiết kế mạch, tính chủ động trong công việc). Do đó mô hình thực nghiệm đã hoàn thành theo đúng kế hoạch và hoạt động tốt. Mặc dù đã rất cố gắng nhƣng trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, do sự hạn chế về thời gian, tài liệu nên không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong đƣợc sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và các bạn để giúp em nâng cao kiến thức, chuyên môn phục vụ tốt cho công việc sau này. Em xin chân thành cảm ơn ! Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ngô Hồng Quang, Phan Quốc Thắng ( 2004 ), Cấu trúc lập trình và họ vi điều khiển 8051, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 2. Nguyễn Tăng Cƣờng, Phan Quốc Thắng, Vũ Hữu Nghị ( 2003 ), Máy tính – Cấu trúc và lập trình, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 3. Phạm Minh Hà ( 1999 ), Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 4. Sencer Yeralan, Helen Emery ( 2000 ), Programming and Interfacing the 8051 Microcontroller in C and Assembly, Rigel Corporation. 5. Myke Predko ( 1999 ), Programming & Customizing the 8051 Microcontroller, McGraw – Hill. Một số trang web : Thiết kế hệ thống điều khiển đèn báo hiệu luồng giao thông đường thuỷ Sinh viên: Nguyễn Quốc Đại - ĐT 1001 62 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÈN BÁO HIỆU LUỒNG GIAO THÔNG ĐƢỜNG THỦY ................................................................... 2 1.1. GIỚI THIỆU LUẬT PHÂN LUỒNG HÀNG HẢI .................................. 2 1.2 TÍN HIỆU PHÂN LUỒNG HÀNG HẢI ................................................... 2 1.2.1 Giải thích các từ ngữ sử dụng ................................................................. 2 1.2.2. Các tín hiệu phân luồng .......................................................................... 3 1.3 MỘT SỐ LOẠI ĐÈN BÁO HIỆU HÀNG HẢI ........................................ 9 1.4 KẾT LUẬN ................................................................................................ 9 Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 ..................... 10 2.1 TỔNG QUAN VỀ HỌ 8051 ................................................................... 10 2.1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển họ vi điều khiển 8051 ................................. 10 2.1.2 Các thành viên khác của họ 8051 .......................................................... 11 2.2 KHÁI QUÁT VỀ IC AT89C2051 .................................................... 15 2.2.1 Một số đặc tính .............................................................................. 15 2.2.2 Cấu hình ....................................................................................... 16 2.3 KẾT LUẬN .............................................................................................. 33 Chƣơng 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN BÁO HIỆU LUỒNG GIAO THÔNG ĐƢỜNG THỦY ............................ 34 3.2 THIẾT KẾ CÁC KHỐI ............................................................................ 34 3.2.1 Khối nguồn ............................................................................................ 34 3.2.2 Khối điều khiển và hiển thị ................................................................... 36 3.3 LƢU ĐỒ THUẬT TOÁN ........................................................................ 39 3.4 CHƢƠNG TRÌNH PHẦN MỀM ............................................................. 41 3.5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................... 46 3.6 KẾT LUẬN .............................................................................................. 48 KẾT LUẬN ................................................................................................... 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 50