Đồ án Thiết kế đồng hồ kim dùng LED ma trận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ –&— ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2 ĐỀ TÀI: GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SV làm đề tài: Lâm Quí Long 05101089 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5/2009 Đô án môn học 2 GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: LÂM QUÍ LONG 2 BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MÔN HỌC CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: LÂM QUÍ LONG 05101089 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ KIM DÙNG LED MA TRẬN Nội dung đồ án môn học NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ............................................................................................................................... .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. ............................................................................................................................... .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... Giáo viên hướng dẫn Đô án môn học 2 GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: LÂM QUÍ LONG 3 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy, ThS. Nguyễn Văn Hiệp đã tận tình giúp đỡ, theo dõi động viên, khuyến khích, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt đề tài trên. Em xin gởi lời cám ơn đến Ban Giám Hiệu, toàn thể thầy cô và nhất là các thầy cô khoa Điện - Điện Tử Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cũng như chỉ dẫn và truyền đạt kiến thức để em hoàn thành được đề tài. Em cũng xin cảm ơn các bạn học cùng lớp đã hết lòng giúp đỡ em thực hiện đề tài trên Tp.Hồ Chí Minh tháng 5 năm 2009 Sinh viên thực hiện đề tài Đô án môn học 2 GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: LÂM QUÍ LONG - 4 - Mục Lục Chương I : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ................................................................. - 5 - 1. KHỐI DAO ĐỘNG........................................................................................... - 6 - 2. KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM .......................................................................... - 6 - 3. KHỐI LƯU TRỮ THỜI GIAN THỰC ........................................................... - 6 - 4. KHỐI ĐIỀU KHIỂN ....................................................................................... - 6 - 5. KHỐI CHUÔNG ............................................................................................. - 6 - 6. KHỐI HIỂN THỊ ............................................................................................. - 6 - 7. KHỐI NGUỒN ................................................................................................ - 6 - Chương II : GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ........................... - 7 - A. KHỐI LƯU TRỮ THỜI GIAN THỰC ( DS12887 )....................................... - 7 - 1. Giới thiệu linh kiện. ..................................................................................... - 7 - 2. Tính toán các thông số cần thiết................................................................. - 17 - B. KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM ( AT89S52) .................................................... - 18 - 1. Cấu trúc của 8051 ....................................................................................... - 18 - 2 . Sơ lược vê các chân của 8051..................................................................... - 19 - 3. Cấu trúc cổng xuất nhập ........................................................................... - 22 - 4. Tổ chức bộ nhớ ........................................................................................... - 22 - 5. Các thanh ghi có chức năng đặc biệt.......................................................... - 24 - 6. Hoạt động Reset ......................................................................................... - 29 - C-Khối hiển thị LED MA TRẬN ............................................................................30 1. Giới thiệu về led ma trân .................................................................................30 2.Cấu tạo và phương pháp điều khiển led ma trận ............................................30 3. Tính toán thông số ...........................................................................................33 D. GIỚI THIỆU IC ỔN ÁP 7805 - 7812 .................................................................33 CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ LAYOUT CỦA CÁC KHỐI TRONG MẠCH..........................................................................................................................34 Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT .....................................43 A-Lưu đồ giả thuật ..............................................................................................43 B-Chương trình ...................................................................................................48 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ...........................................................................................77 I – Kết luận ..............................................................................................................77 II- Phương án phát triển đề tài ...............................................................................77 III - Tài liệu tham khảo ...........................................................................................78 Đô án môn học 2 GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: LÂM QUÍ LONG - 5 - Chương I : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Chúng ta có thể sử dụng nhiều loại linh kiện khác nhau để chế tạo nên một chiếc đồng hồ số như : Dùng IC số Dùng vi điều khiển ( AT89S52 ) Dùng IC số thì kết quả không thể chính xác được vì sai số do nhiều IC tạo nên. Vì thế em đã lựa chọn phương án dùng AT89S52. với lựa chọn này ta có 2 phương án nhỏ ở bên trong : Phương án 1: dùng ngắt và timer có sẵn trong AT89S52 Phương án 2: dùng bộ định thời gian thực của hãng Dallas ( DS12887 ) Sau khi cân nhắc em lựa chọn phương án 2 là vì nếu dùng ngắt và timer trong AT89S52 thì kết quả có độ chính xác thấp. Khi mất điện thì ta phải cài lại thời gian cho nó ( điều này không khả thi ) . Ngược lại, khi dùng DS12887 thì dù mất điện chúng ta cũng không phải cài lại thời gian cho đồng hồ và độ chính xác mang lại là khá cao. Sau đây là sơ đồ khối của mạch : Khối dao động Khối xử lý trung tâm Khối điều khiển Khối lưu trữ thời gian thực Khối nguồn Khối chuông Khối hiển thị Đô án môn học 2 GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: LÂM QUÍ LONG - 6 - 1. KHỐI DAO ĐỘNG : Có thể tạo dao động bằng mạch RC nhưng độ chính xác không cao. Dùng thạch anh 12MHz ( có thể ở tần số khác ) để tạo dao động cho vi điều khiển và đây cũng là thiết đặc mặc định của nhà sản xuất. Tần số dao động của vi điều khiển: fvdk = fthach anh/12 Như vậy lúc này vi điều khiển hoạt động ở tần số 1MHz ( T=1us ). 2. KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM : Dùng vi điều khiển AT89S51 hoặc AT89S52 vì có thể giao tiếp với DS12887 và có giá rẻ Phương án thay thế : Dùng PIC 16F887 nhưng giá thành cao, không thể giao tiếp với DS12887 mà chỉ có thể giao tiếp với DS1307 3. KHỐI LƯU TRỮ THỜI GIAN THỰC Dùng DS12887 của hãng Dallas vì nó có khả năng lưu trữ thời gian thực khi mất điện, không sợ mất dữ liệu. Phương án thay thế: Dùng timer có sẵn trong vi điều khiển → giá thành của mạch sẽ thấp hơn nhiều nhưng độ chính xác không cao và phải nạp lại thời gian cho timer nên rất bất tiện. Dùng DS1307 nếu dùng PIC 16f887 4. KHỐI ĐIỀU KHIỂN : Dùng các nút nhấn thường hở ( thường đóng ) để chỉnh giờ và hẹn giờ. 5. KHỐI CHUÔNG : Dùng loa 6. KHỐI HIỂN THỊ : Dùng led ma trận 2 màu xanh đỏ để hiện thị kim đồng hồ 7. KHỐI NGUỒN : Dùng máy biến áp có tỉ số vòng dây W1/W2 = 220/5 = 44 .Tiếp đó ta chỉnh lưu toàn kỳ dùng cầu chỉnh lưu.. Dòng ra vào khoảng 1000 mA Đô án môn học 2 GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: LÂM QUÍ LONG - 7 - Chương II : GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ THIẾT KẾ MẠCH A. KHỐI LƯU TRỮ THỜI GIAN THỰC ( DS12887 ) 1. giới thiệu linh kiện. a. Khảo sát sơ đồ chân của DS12C887 – Chức năng từng chân. AD0-AD7 – Bus đa hợp địa chỉ/ dữ liệu NC – Bỏ trống MOT - Lựa chọn loại bus CS – Ngõ vào lựa chọn RT C AS – Chốt địa chỉ R/W – Ngõ vào đọc/ghi DS – Chốt dữ liệu RESET\ - Ngõ vàoReset IRQ\ - Ngõ ra yêu cầu ngắt SQW – Ngõ ra sóng vuông VCC – Nguồn cung cấp +5 Volt GND – Mass Thông số cơ bản của DS12887 Vùng điện áp hoạt động : 4,5V- 5,5V Dòng tiêu thụ tối đa : 15mA Vùng nhiệt độ hoạt động : 00C - 700C Vùng nhiệt độ bảo quản : -400C – 70 0C Chức năng của các chân : GND, VCC: Nguồn cung cấp cho thiết bị ở những chân trên. VCC là điện áp ngõ vào +5 volt. Khi điện áp 5 volts được cung cấp đúng chuẩn, thiết bị được truy cập đầy đủ và dữ liệu có thể đọc và ghi. Khi Vcc thấp hơn 4.25 volts, qúa trình đọc và ghi bị cấm. Tuy nhhiên, chức năng giữ thời gian vẫn được tiếp tục không bị ảnh hưởng bởi điện áp bị sụt giảm bên ngoài. Khi VCC rớt xuống thấp hơn 3V, RAM và bộ giữ giờ được chuyển sang nguồn năng lượng bên trong. Chức năng giữ thời gian duy trì độ chính xác vào khoảng ±1 phút/tháng ở nhiệt độ 250 C bất chấp điện áp ở ngõ vào chân Vcc. MOT (Mode Select): Chân MOT là chân có tính linh hoạt để lựa chọn giữa hai loại bus. Khi được nối lên VCC, bus định thời Motorola được chọn lựa. Khi được nối xuống Đô án môn học 2 GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: LÂM QUÍ LONG - 8 - GND hoặc không nối, bus định thời Intel được lựa chọn. Chân có điện trở kéo xuống bên trong có giá trị vào khoảng 20K. SQW (Square Wave Output): Chân SQW có thể xuất tín hiệu ra từ 1 trong 13 loại được cung cấp từ 15 trạng thái được chia bên trong của Real Time Clock. Tần số của chân SQW có thể thay đổi bằng cách lập trình thanh ghi A như đã trình bày ở bảng 2.1. Tín hiệu SQW có thể mở hoặc tắt sử dụng bit SQWE trong Register B. Tín hiệu SQW không xuất hiện khi Vcc thấp hơn 4.25 volts. AD0-AD7 (Multiplexed Bidirectional Address/Data Bus): Bus đa hợp tiết kiệm chân bởi vì thông tin địa chỉ và thông tin dữ liệu được dùng chung đường tín hiệu. Cùng tại những chân, địa chỉ được xuất trong suốt phần thứ nhất của chu kỳ bus và được dùng cho dữ liệu trong phần thứ 2 của chu kỳ. đa hợp địa chỉ/dữ liệu không làm chậm thời gian truy cập của DS12C887 khi bus chuyển từ địa chỉ sang dữ liệu xảy ra trong suốt thời gian truy cập RAM nội. Địa chỉ phải có giá trị trước khi xuất hiện sườn xuống của AS/ALE, tại thời điểm mà DS12C887 chốt địa chỉ từ AD0 tới AD6. Dữ liệu ghi phải được hiển thị và giữ ổn định trong suốt phần sau của DS hoặc xung WR. Trong chu kỳ đọc của DS12C887 ngõ ra 8 bits của dữ liệu trong suốt phần sau của DS hoặc xung RD. Chu kỳ đọc được thực hiên xong và bus trở về trạng thái tổng trở cao cũng như khi DS bắt đầu chuyển xuống thấp trong trường hợp định thời Motorola hoặc khi RD chuyển lên cao trong trường hợp định thời Intel. AS (Address Strobe Input): Xung dương cung cấp xung chốt địa chỉ trong việc phức hợp bus. Sườn xuống của AS/ALE làm cho địa chỉ bị chốt lại bên trong của DS12C887. Sườn lên tiếp theo khi xuất hiện trên bus AS sẽ xoá địa chỉ bất chấp chân CS có được chọn hay không. Lệnh truy cập có thể gửi tới bằng cả hai cách. DS (Data Strobe or Read Input): Chân DS/RD có 2 kiểu sử dụng tuỳ thuộc vào mức của chân MOT. Khi chân MOT được kết nối lên Vcc, bus định thời Motorola được lựa chọn. Trong kiểu này DS là xung dương trong suốt phần sau của chu kỳ bus và được gọi là Data Strobe. Trong suốt chu kỳ đọc, DS báo hiệu thời gian mà DS12C887 được điều khiển bus đôi. Trong chu kỳ đọc, xung quét của DS là nguyên nhân làm DS12C887 chốt dữ liệu được ghi. Khi chân MOT được nối xuống GND, bus định thời Intel được lựa chọn. Trong kiểu này, chân DS được gọi là Read(RD). RD xác định chu kỳ thời gian khi DS12C887 điều khiển bus đọc dữ liệu. Tín hiệu RD có cùng định nghĩa (same definition) với tín hiệu Output Enable (OE) trong một bộ nhớ riêng. R/ W\ (Read/Write Input): Chân R/ W\ cũng có 2 cách hoạt động. Khi chân MOT được kết nối lên Vcc cho chế độ định thời Motorola, R/W\ đang ở chế độ mà chỉ ra hoặc là chu kỳ hiện tại là chu kỳ đọc hoặc ghi. Chu kỳ đọc đòi hỏi chân R/W\ phải ở mức cao khi chân DS ở mức cao. Chu kỳ ghi đòi hỏi chân R/ W\ phải ở mức thấp trong suốt quá trình chốt tín hiệu của DS. Khi chân MOT được nối GND cho chế độ định thời Intel, tín hiệu R/ W\ là tín hiệu hoạt động mức thấp (an active low signal) được gọi là WR. Trong chế độ này, chân R/ W\ được định nghĩa như tín hiệu Write Enable (WE) trong RAMs chung. CS (Chip Select Input): Tín hiệu chọn lựa phải được xác định ở mức thấp ở chu kỳ bus để DS12C887 được sử dụng. CS phải được giữ trong trạng thái hoạt động trong suốt DS và AS của chế độ định thời Motorola và trong suốt RD và WR của chế độ định thời Intel. Chu kỳ Bus khi chọn vị trí mà không chọn CS sẽ chốt địa chỉ nhưng sẽ không có bất kỳ sự truy cập nào. Khi Vcc thấp hơn 4.25 volts, chức năng bên trong của Đô án môn học 2 GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: LÂM QUÍ LONG - 9 - DS12C887 ngăn chặn sự truy cập bằng cách không cho phép chọn lựa ngõ vào CS. Hành động này nhằm bảo vệ cả dữ liệu của đồng hồ thời gian thực bên trong cũng như dữ liệu RAM trong suốt quá trình mất nguồn. IRQ (Interrupt Request Output): Chân IRQ\ là ngõ ra hoạt động mức thấp của DS12C887 mà có thể sử dụng như ngõ vào ngắt tới bộ xử lý. Ngõ ra IRQ\ ở mức thấp khi bit là nguyên nhân làm ngắt và phù hợp với bit cho phép ngắt được đặt (set). Để xoá chân IRQ\ chương trình của bộ vi xử lý thông thường được đọc ở thanh ghi C. Chân RESET\ cũng bị xoá trong lúc ngắt. Khi không có trạng thái ngắt nào được sử dụng, trạng thái IRQ\ ở trong tình trạng tổng trở cao. Nhiều thiết bị ngắt có thể nối tới một IRQ\ bus. IRQ\ bus là một ngõ ra mở và yêu cầu 1 điện trở kéo lên bên ngoài. RESET\ (Reset Input): Chân RESET\ không có hiệu lực đối với đồng hồ, lịch, hoặc là RAM. Ở chế độ cấp nguồn, chân RESET có thể bị kéo xuống trong thời gian cho phép để ổn định nguồn cung cấp. Thời gian mà chân RESET\ bị kéo xuống mức thấp phụ thuộc vào ứng dụng. Tuy nhiên nếu chân RESET\ được sử dụng ở chế độ cấp nguồn, thời gian RESET\ ở mức thấp có thể vượt quá 200ms để chắc chắn rằng bộ định thời bên trong mà điều khiển DS12C887 ở chế độ power-up đã hết. Khi RESET\ ở mức thấp và VCC ở trên 4.25 volts, những điều sau diễn ra: A. Bit cho phép ngắt định kỳ ((Periodic Interrupt Enable (PEI)) được đặt ở mức 0.. B. Bit cho phép ngắt chuông (Alarm Interrupt Enable (AIE)) được đặt ở mức 0. C. Bit cờ cho phép ngắt kết thúc cập nhật ((Update Ended Interrupt Flag (UF)) được xoá về 0 zero. D. Bit cờ trạng thái yêu cầu ngắt (Interrupt Request Status Flag (IRQF)) được đặt ở mức 0. E. Bit cờ cho phép ngắt định kỳ (Periodic Interrupt Flag (PF)) được đặt ở mức 0. F. Thiết bị không sử dụng được cho tới khi chân RESET\ trở lại mức logic 1. G. Bit cờ cho phép ngắt chuông (Alarm Interrupt Flag (AF)) được đặt ở mức 0. H. Chân IRQ\ ở trong trạng thái tổng trở cao. I. Bit cho phép xuất sóng vuông (Square Wave Output Enable (SQWE)) được đặt ở mức 0. J. Bit cho phép ngắt kết thúc cập nhật (Update Ended Interrupt Enable (UIE)) bị xoá về mức 0. Trong các ứng dụng thông thường chân RESET\ có thể được nối lên VCC. Kết nối như vậy sẽ cho phép DS12C887 hoạt động và khi mất nguồn sẽ không làm ảnh hưởng đến bất kỳ thanh ghi điều khiển nào. Hoạt động của Real Time Clock khi được cấp nguồn hoặc mất nguồn. Chức năng của đồng hồ thời gian thực sẽ tiếp tục hoạt động và tất cả RAM, thời gian, lịch và vị trí bộ nhớ báo giờ và những vùng nhớ không mất dữ liệu còn lại bất chấp điện áp ngõ vào VCC. Khi điện áp VCC được cung cấp cho DS12C887 và đạt tới điện áp lớn hơn 4.25 volts, thiết bị có thể sử dụng được sau 200 ms, dao động được cung cấp, nó cho phép bộ dao động hoạt động và quá trình dao động không ảnh hưởng bởi chân reset. Tính đến giai đoạn này hệ thống đã đi vào ổn định sau khi nguồn được cung cấp. Khi VCC rớt xuống dưới 4.25 volts, ngõ vào lựa chọn chip bị bắt buộc chuyển sang trạng thái không hoạt động bất chấp giá trị tại ngõ vào chân CS. Vì vậy DS12C887 được hoạt động ở chế độ chống ghi. Khi DS12C887 đang ở trạng thái chống ghi, mọi ngõ vào đều bị bỏ qua còn các ngõ ra đều ở trạng thái tổng trở cao. Khi Đô án môn học 2 GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: LÂM QUÍ LONG - 10 - VCC rớt xuống điện áp khoảng 3 volts, điện áp VCC cung cấp bên ngoài được cắt đi và nguồn pin lithium ở bên trong DS12C887 sẽ cung cấp nguồn cho Real Time Clock và bộ nhớ RAM. b. Cấu trúc bên trong Real Time Clock DS12C887 b1. Sơ đồ địa chỉ của Real Time Clock Sơ đồ địa chỉ của DS12C887 được trình bày ở hình 1. Sơ đồ địa chỉ bao gồm 113 bytes RAM thông dụng, 11 bytes RAM mà thành phần bao gồm đồng hồ thời gian thực, lịch, dữ liệu báo giờ và 4 bytes được sử dụng cho việc điều khiển và thông báo tình trạng. Tất cả 128 bytes có thể được ghi hoặc đọc tực tiếp trừ những trường hợp sau : 1. Thanh ghi C and D là hai thanh ghi chỉ đọc. 2. Bit thứ 7 của thanh ghi A là bit chỉ đọc. 3. Bit cao của byte thứ 2 là bit chỉ đọc. Hình 1 Sơ đồ địa chỉ của DS12C887 Thời gian và lịch đã có bằng cách đọc các bytes bộ nhớ hiện có. Thời gian, lịch và báo giờ được đặt hoặc gán