Báo cáo khoa học: "THIẾT KẾ BỘ KIT VI XỬ LÝ ĐA NĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VÀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

97
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Bài báo này trình bày về một thiết kế cho lập trình vi xử lý thông qua bộ KIT phát triển có kết cấu độc lập dạng Main – Chip, giúp sinh viên có thể lập trình ứng dụng cho nhiều loại vi xử lý trên thiết bị thực tế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "THIẾT KẾ BỘ KIT VI XỬ LÝ ĐA NĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VÀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC"

THIẾT KẾ BỘ KIT VI XỬ LÝ ĐA NĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VÀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ThS. NGÔ THANH BÌNH Bộ môn Kỹ thuật điện tử Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải ThS. LÊ QUANG CƯỜNG Công ty Tư vấn xây dựng dầu khí PETROLIMEX Tóm tắt: Bài báo này trình bày về một thiết kế cho lập trình vi xử lý thông qua bộ KIT phát triển có kết cấu độc lập dạng Main – Chip, giúp sinh viên có thể lập trình ứng dụng cho nhiều loại vi xử lý trên thiết bị thực tế. Summary: This report presents a design for programming microcontroller by evolution KITs in Main – Chip separate design, assisting students in some microcontroller programs and applications with devices. I. ĐẶT VẤN ĐỀ CT 2 Bài báo trình bày về một số thiết kế cơ bản trên cơ sở cấu trúc Main – Chip, dựa trên các nhiệm vụ thí nghiệm và tổng hợp một số yêu cầu thực tế của các công ty. Thiết kế nhằm đưa ra sơ đồ mẫu và xây dựng những bài toán điều khiển từng cụm thiết bị độc lập, giúp sinh viên tự thay đổi vi xử lý và ngoại vi ghép phối thành bài toán điều khiển lớn hơn, ứng dụng trong công nghiệp, GTVT như cho các bài toán Lập trình nhúng, Lập trình cho các bài toán điều khiển đèn giao thông, đường ngang, thông gió, điều khiển giám sát tòa nhà, điều khiển từ xa… Sinh viên có thể trực tiếp làm việc trên bộ thiết bị sau khi học trên lớp, sau đó tự phát triển bài toán trên bộ KIT này. Điều này tăng cường khả năng tự làm việc và sáng tạo cho sinh viên. Bên cạnh đó dựa vào các sơ đồ thiết kế cơ sở, sinh viên sẽ giảm bớt sai sót trong quá trình thiết kế chế tạo mô hình sản phẩm phục vụ NCKH và bảo vệ tốt nghiệp. II. YÊU CẦU THIẾT KẾ Bộ KIT được thiết kế chế tạo theo dạng kết cấu Main – Chip đa năng, có thể dễ dàng thay đổi vi xử lý bằng các dòng PIC, AVR, PSoC … tạo hướng mở cho bộ KIT. Bộ KIT thí nghiệm có khả năng bao quát cả các bài thí nghiệm hiện có ngoài việc tạo thêm trên 30 Unit mới, mỗi Unit gồm một số bài thí nghiệm quét hết một nội dung học tập. Ngoài ra khi có sự cố chạm chập, cháy nổ khi thí nghiệm có thể dễ dàng thay thế từng cụm thiết bị, giảm thiểu kinh phí khi cần sửa chữa thay mới.
1. Khối vi xử lý cơ bản, lập trình ASSEMBLY Module 1 Vi xử lý AT89C52 Bài toán cơ bản: Điều khiển Led đơn, Led 7 thanh, ma trận phím, ngắt, phát hồng ngoại, điều khiển động cơ một chiều, động cơ bước, đo nhiệt độ, hiển thị LCD, thu hồng ngoại điều khiển từ xa, liên kết với KIT khác thành hệ vi xử lý (Giao tiếp đa vi xử lý), ghép nối ROM, RAM, PC, ma trận điểm. Bài toán ứng dụng: Điều khiển đèn giao thông, các hệ thống định giờ, lập trình điều khiển từ xa, đo lường cảnh báo, điều khiển đèn quảng cáo, quang báo, mạng vi xử lý, ghép phối hệ PC – Vi xử lý. Module 2 Vi xử lý AT89C52: Thiết kế KIT phát triển sử dụng các Jack cắm rời, áp dụng cho các bài toán ứng dụng trong thực tế: Điều khiển giám sát các thiết bị nhà cao tầng, điều khiển đường ngang, đèn giao thông, các hệ thống định giờ. 2. Khối vi xử lý nâng cao, lập trình C Module Vi xử lý ATmega8/88. Bài toán cơ bản: Thiết kế mạch nạp onboard usb, lập trình điều khiển LED đơn, ngắt, ghép nối bộ nhớ ngoài, đo nhiệt độ, LCD, PWM, RTC, ghép nối PC. Bài toán ứng dụng: Đèn quảng cáo, đo lường điều khiển các đại lượng tương tự, ghép nối CT 2 PC điều khiển KIT từ PC. Module Vi xử lý ATmega16/32/535. Bài toán cơ bản: Điều khiển các cụm thiết bị độc lập, Động cơ bước, Động cơ một chiều, PWM, RTC, Loa, quạt, đo nhiệt độ cảnh báo và điều khiển ngưỡng. Bài toán ứng dụng: Điều khiển báo cháy, thông gió nhà cao tầng, mạng AVR, AVR – PC, các bài toán phát triển. Module Vi xử lý PSoC CY8C29466/566. Hai Module này ngoài giải quyết các bài toán điều khiển trên còn có kể kết nối với các Module khác, xử lý các ngoại vi phức tạp như kết nối thẻ nhớ, RF, GPS, INS, MEMS. III. KẾT CẤU PHẦN CỨNG BỘ KIT 1. Vi xử lý Bộ KIT sử dụng vi xử lý dòng MCS51 và AVR, ngoài ra còn được thiết kế mở rộng cả cho PIC, PSoC với các bảng cắm rời theo kết cấu Module. Phần cơ sở chủ yếu được xây dựng trên vi xử lý AT89C52 và ATMega88 của Atmel do tính thông dụng, rẻ tiền của chúng. Điều này phù hợp với đối tượng sinh viên, bao gồm:
AT89C51/52, AT89S51/52 ATMega8/88, ATMega16/535 CY8C29466/566 Sau khi đã thành thạo về vi xử lý cơ sở, người học có thể lựa chọn vi xử lý mạnh hơn với các ngoại vi phức tạp, phát triển thêm KIT với các Module mở rộng khác. 2. Linh kiện phụ trợ Tất cả linh kiện nằm trên bảng Main và một vài Module độc lập khác, bao gồm: - Led đơn, Led 7 thanh, Led Matrix 5x7/8x8 - Tụ điện, Trở, Diode, Transistor các loại - Thạch anh dao động 11.0592MHz, 8 MHz, 32.768 KHz … - IC nguồn, đệm, chốt, dịch, MAX232, EEROM, SRAM, RTC - ADC, LCD, Sensor đo nhiệt độ - Mắt thu, Led phát hồng ngoại - Động cơ 1 chiều DC, động cơ bước +12VDC - Quạt, Loa (Còi, Chuông) CT 2 - Nguồn, Pin +3 VDC, Cable nối, DB9 Female, DB25 Male, Cable nạp chương trình, Phím bấm, Switch, toả nhiệt, ốc vit… IV. BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN Các bài toán điều khiển cơ bản chạy trên Module Main – Chip với yêu cầu cho trước. Với các yêu cầu mở rộng sinh viên phải tự tổ chức phần cứng. Điều này tạo ra những chương trình điều khiển khác nhau ngay cả khi cho các nhóm làm cùng một bài thí nghiệm. Các bài toán điều khiển với yêu cầu chi tiết, sơ đồ tổ chức phần cứng, list chương trình phần mềm có thể tham khảo trong đề tài NCKH mã số B2007-04-27 của cùng tác giả. 1. MCS51 Unit 1: Xử lý Led đơn (Nháy, quay, dịch, kết hợp) Unit 2: Xử lý Led 7 thanh (Các hệ thống định giờ, đèn giao thông) Unit 3: Phím bấm (Phím đơn, Ma trận phím) Unit 4: Thu phát hồng ngoại (Điều khiển từ xa) Unit 5: Ghép LCD (Hiển thị, tạo đồng hồ)
Unit 6: Giao tiếp PC Unit 7: Điều khiển động cơ một chiều DC- Unit 8: Điều khiển động cơ bước Step Motor Unit 9: Ghép ADC ngoài Unit 10: Ma trận điểm Unit 11: Mở rộng bộ nhớ Unit 12 : Thiết kế ứng dụng 1: Giao tiếp hai vi xử lý giám sát nhiệt độ Unit 13 : Thiết kế ứng dụng 2: Điều khiển từ xa DC- Unit 14 : Thiết kế ứng dụng 3: Điều khiển từ xa Step motor Unit 15 : Thiết kế ứng dụng 4: Hệ đa vi xử lý Unit 16 : Thiết kế ứng dụng 5: Điều khiển đèn giao thông Unit 17 : Thiết kế ứng dụng 6: Điều khiển đường ngang 2. AVR/PSoC Unit 1: Xử lý Led đơn (Nháy, quay, dịch, kết hợp) Unit 2: Xử lý Led 7 thanh (Các hệ thống định giờ) CT 2 Unit 3: Phím bấm (Phím đơn, Ma trận phím) Unit 4: Thu phát hồng ngoại (Điều khiển từ xa) Unit 5: Ghép LCD (Hiển thị, tạo đồng hồ) Unit 6: Giao tiếp PC Unit 7: Lập trình Project multi file Unit 8: PWM Unit 9: Điều khiển động cơ 1 chiều DC- Unit 10: Điều khiển động cơ bước Step Motor Unit 11: ADC Unit 12: RTC Unit 13: Bài toán phát triển; Thiết kế ứng dụng Unit 14: Khai thác các ngoại vi của Module thí nghiệm đang sử dụng tại phòng thí nghiệm (SAB 80515) theo các bài đã có: Chống trộm; Thông gió đường hầm; Đèn tín hiệu; Trộn nhiên liệu.
MỘT SỐ MODULE CỦA BỘ KIT I2C LCD +5V U5 LCD +5V LCD R13 J4 R14 +5V 1 10K 10K SDA 2 SCL VDD VEE VSS 3 RW C3 10K RS SCL D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A K E 100n Var CON3 SDA T1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 R35 C828 GND R86 R +5V U3 U4 EEPROM +5V +5V 100n +5V DS1307 24C16B C4 Y1 Var 1 8 1 8 X1 VCC A0 VCC 2 7 2 7 32.768kHz X2 SQW/OUT SQW A1 WP 3 6 3 6 Vbat SCL SCL A2 SCLK SCL 4 5 4 5 P1 GND SDA SDA GND SDA SDA 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Header 12X2 BT1 11 13 15 17 19 21 23 3V RTC 1 3 5 7 9 Led7seg Step Motor J65 STREP Motor 1 STEP1 +5V 2 STEP2 3 Q9 STEP3 4 +12V A1015 STEP4 R36 5K6 +5V D31 1N4007 Q10 R70 5K1 A1015 STEP1 Q24 R71 0-470 R37 5K6 Q25 TIP41C J7 4 Q11 3 A1015 2 1 R38 5K6 +5V D32 1N4007 R72 5K1 Q12 STEP2 Q26 A1015 R73 0-470 Q27 R39 5K6 TIP41C J66 1 2 3 U6 CT 2 4 1 4 5 7 5 LED7 x4 6 CA1 CA2 CA3 CA4 +5V LED7 SEGMENT D33 1N4007 R74 5K1 STEP3 Q28 R75 0-470 DOT Q29 A D G B C TIP41C E F U7 2 6 9 11 12 3 8 10 J8 18 1 1 DOT OUT0 IN0 17 2 2 SEG G OUT1 IN1 16 3 3 SEG F OUT2 IN2 15 4 4 SEG E OUT3 IN3 14 5 5 +5V D34 SEG D OUT4 IN4 13 6 6 1N4007 SEG C OUT5 IN5 12 7 7 R76 5K1 SEG B OUT6 IN6 11 8 8 SEG A OUT7 IN7 STEP4 Q30 R77 0-470 10 CON8 COM Q31 TIP41C 7-SEG LED 9 GND UART ADC J1 1 ADC #RD 2 ADC #WR 3 ADC #CS +5V 4 #ADC DONE P3 1 U14 RS232 interface 6 J68 MAX232 R1 2 14 12 1 RXD T1OUT R1OUT P6 U1 U2 7 7 9 2 2 6 18 TXD T2OUT R2OUT D0 2 +IN DB0 1 2 3 3 17 D1 3 DB1 3 4 R2 1 7 16 8 13 11 D2 1 -IN DB2 5 6 R1IN T1IN 15 D3 DB3 7 8 4 8 10 14 R2IN T2IN D4 DB4 9 10 9 9 13 D5 +5V VREF/2 DB5 11 12 12 5 1 +5V R3 D6 DB6 13 14 C1+ 11 D7 DB7 15 16 3 16 4 C1- VCC CLKIN 4 19 5 Header 8X2 FEMALEDB9 C17 #ADC DONE CLKR INTR C2+ +5V 5 1u C18 R4 C2- 20 C1 VCC/VREF 2 15 C19 1u 2 V+ GND ADC #RD RD 6 3 1u C2 ADC #WR WR V- 1 10 C20 ADC #CS CS GND 8 AGND 1u C21 1u +5V ROOM TEMPRATURE MEASUREMENT
Power DC- +5V U12 R67 D28 Power On/Off 1 3 GND IN OUT AC1/DC1 2 + C11 + C12 C13 LED AC1 R68 2 D29 22E2W J64 - + 1 P2 4 1 2 4 6 2 3 1 3 5 +12V DC Jack +5V BRIDGE 2A U13 R69 D30 AC2 1 3 GND AC2/DC2 IN OUT 3 P7 12VAC input + C14 + C15 C16 LED 1 2 3 4 2 5 6 Header 3X2 J3 1 DC1 2 DC2 3 DC3 4 +12V DC4 R5 1K D1 D2 R6 1K 1N4007 1N4007 Q1 Q2 R7 5K1 R8 5K1 Q3 Q4 DC1 DC3 C828 C828 MG1 1 2 M +5V +5V R9 5K1 R10 5K1 Q5 Q6 DC2 DC4 A1015 D3 D4 A1015 Q7 1N4007 1N4007 Q8 C2383 C2383 R11 1K R12 1K DC Motor ATMega16/32/566 CT 2
+5V C3 D1 D2 R1 2 1 L1 10uH 100 R2 R3 R4 C5 4007 4007 +5V AVCC C6 1.5k 1M 10k .1u GND 0.1mF 104 C1 100n GND L2 10uH GND GND AGND P1 C2 1u 1 U2 R_out 2 AREF Rset 3 1 28 PC6 (RESET) PC5 (ADC5/SCL) P2 2 27 Reset select PD0 (RXD) PC4 (ADC4/SDA) 3 26 1 PD1 (TXD) PC3 (ADC3) R5 68R 4 25 C4 22p 3 PD2 (INT0) PC2 (ADC2) 5 24 2 PD3 (INT1) PC1 (ADC1) R6 68R 6 23 J3 4 PD4 (XCK/T0) PC0 (ADC0) 7 22 1 3 Y1 XTAL1 VCC GND 8 21 2 4 4-20MHz XTAL2 GND AREF GND USB - type B 9 20 Y2 PB6 (XTAL1) AVCC GND 1 2 10 19 SWITCH2X2 PB7 (XTAL2) PB5 (SCK) 11 18 C7 22p PD5 (T1) PB4 (MISO) C8XTAL C9 R7 GND 12 17 External crystal PD6 (AIN0) PB3 (MOSI/OC2) 22p 22p R8 330R 13 16 PD7 (AIN1) PB2 (SS/OC1B) R9 330R 14 15 P3 PB0 (ICP1) PB1 (OC1A) R10 330R 4 5 SCK R11 330R GND GND R12 3 6 MISO R R J4 2 7 MOSI ATmega8 3 R_out 1 8 Reset 2 Rset Header 4X2 1 D3 D4 LED LED J5 3 PD0 2 PD1 1 GND MULTI- MICROCONTROLLERS COMMUNICATE U1 AT Mega16 J1 J2 1 40 1 40 1 40 PB0 PB0 PA0 PA0 (XCK/T0) PB0 PA0 (ADC0) 2 39 2 39 2 39 PB1 PB1 PA1 PA1 (T1) PB1 PA1 (ADC1) 3 38 3 38 3 38 1 1 J6 J7 PB2 PB2 PA2 PA2 (INT2/AIN0) PB2 PA2 (ADC2) 4 37 4 37 4 37 PB3 PB3 PA3 PA3 (OC0/AIN1) PB3 PA3 (ADC3) 5 36 5 36 5 36 CONNECTOR 20x2 CONNECTOR 20x2 PB4 PB4 PA4 PA4 (SS) PB4 PA4 (ADC4) 6 35 6 35 6 35 Drills MOSI MOSI PA5 PA5 (MOSI) PB5 PA5 (ADC5) 7 34 7 34 7 34 MISO MISO PA6 PA6 (MISO) PB6 PA6 (ADC6) 8 33 8 33 8 33 SCK SCK PA7 PA7 (SCK) PB7 PA7 (ADC7) 9 32 9 32 9 32 1 1 J8 J9 RESET RESET AREF AREF RESET AREF 10 31 10 31 10 31 VCC VCC GND GND VCC GND 11 30 11 30 11 30 GND GND AVCC AVCC GND AVCC 12 29 12 29 12 29 XTAL2 XTAL2 PC7 PC7 XTAL2 PC7 (TOSC2) 13 28 13 28 13 28 XTAL1 XTAL1 PC6 PC6 XTAL1 PC6 (TOSC1) 14 27 14 27 14 27 PD0 PD0 PC5 PC5 (RXD) PD0 PC5 (TDI) 15 26 15 26 15 26 PD1 PD1 PC4 PC4 (TXD) PD1 PC4 (TDO) 16 25 16 25 16 25 PD2 PD2 PC3 PC3 (INT0) PD2 PC3 (TMS) 17 24 17 24 17 24 PD3 PD3 PC2 PC2 (INT1) PD3 PC2 (TCK) 18 23 18 23 18 23 PD4 PD4 PC1 PC1 (OC1B) PD4 PC1 (SDA) 19 22 19 22 19 22 +5V PD5 PD5 PC0 PC0 (OC1A) PD5 PC0 (SCL) 20 21 20 21 20 21 PD6 PD6 PD7 PD7 (ICP) PD6 PD7 (OC2) VCC CON40C CON40C C10 100n +5V U3 GND CT 2 L3 100uH 7805 12v 1 3 IN OUT 1 AC1 AC1/DC1 D5 GND + BRIDGE 1A + C11 R13 P4 U4 1000u/50V 1K 2 4 6 1 Contac 2 3 + C12 C13 1 2 2 470u/25V 100n 2 3 1 3 5 D6 - 3 AC2 LED Power-in jack 4 Power supply AC2/DC2 GND CY8C29566
VCC1 P2 V 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Header 11X2 C1 11 13 15 17 19 21 1 3 5 7 9 100uF GND J2 1 VCC1 2 GND 3 XRES 4 XRES SCLK IRQ0 SW1 Out7 Out8 Out9 5 SDATA VCC VCC1 U1 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 CON5 J6 Ex AGND/P2[4] A,I,P2[2] A,I,P2[0] P4[6] P4[4] P4[2] P4[0] P3[6] P3[4] P3[2] XRES 1 4 VCC 2 3 SWITCH2X2 3.3V P3 P4 34 22 Out10 1 2 Ex VREF,P2[6] P3[0] 1 2 35 21 Data 3 4 A,I,P0[0] P1[6] 3 4 36 20 RF SCK 5 6 A,IO,P0[2] P1[4],EXTCLK 5 6 37 19 RF MISO 7 8 A,IO,P0[4] P1[2] 7 8 38 18 SDATA 9 10 A,I,P0[6] P1[0]/I2CSDA,XTALout 9 10 39 17 GND 11 12 VCC Vss 11 12 CY8C29566 40 16 SCLK 13 14 A,I,P0[7] P1[1]/I2CSCL,XTALin 13 14 41 15 RF MOSI 15 16 A,IO,P0[5] P1[3] 15 16 42 14 NSSData 17 18 A,IOP0[3] P1[5],I2CSDA 17 18 43 13 IRQ1 19 20 A,I,P0[1] P1[7],I2CSCL 19 20 44 12 Out1 21 22 P2[7] P3[1] 21 22 Header 11X2 Header 11X2 VCC P2[3],A,I P2[1],A,I D2 P2[5] P4[7] P4[5] P4[3] P4[1] P3[7] P3[5] P3[3] SMP LED 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 NSS Conf R2 H1 H2 SW0 Out5 Out6 Out4 Out3 Out2 1 1 330R Vit Vit H3 H4 1 1 P5 Vit Vit 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Header 11X2 11 13 15 17 19 21 1 3 5 7 9 3.3V LM317AT D1 U2 LM2575ADJ U3 F1 12V 1 4 FB 3 2 In Feedback IN OUT 1A ADJ L1 ??nH 2 5V F1 R1 C2 GND OUT VCC #ON C3 100u + FUSE 0.5A 240R J7 1 1 1000MF/50V 2 D3 C4 + 3 5 3 470MF/25V VCC0 F0 DC Jack JP1 P1 R3 2 4 6 1 Header 3X2 390R 2 1 3 5 GND0 POWER VIT VI. KẾT LUẬN CT 2 Các bài toán điều khiển cơ bản chạy trên Module Main – Chip với yêu cầu cho trước. Với các yêu cầu mở rộng sinh viên phải tự tổ chức phần cứng. Điều này tạo ra những chương trình điều khiển khác nhau ngay cả khi cho các nhóm làm cùng một bài thí nghiệm, tăng cường khả năng sáng tạo cho sinh viên. Bài báo đưa ra các cấu trúc phần cứng cơ bản, sinh viên có thể áp dụng nguyên các sơ đồ này hoặc tổ chức các khối theo các cách khác nhau phục vụ cho làm bài tập lớn, thiết kế môn học, nghiên cứu khoa học và bảo vệ tốt nghiệp. Các thiết kế mẫu này còn giúp sinh viên làm giảm sai sót và giảm kinh phí trong quá trình chế tạo sản phẩm. Tài liệu tham khảo [1]. Sensor Yeralan. Programming and Interfacing the 80C51 Microcontroller. Rigel Cor. , 1993 [2]. Michael J Pont. Programming Embedded System. University of Leicester, 2003 [3]. Dhananjay V Gadre. Programming and Customizing the AVR Microcontrollers. McGraw-Hill, 2001 [4]. David E Simon. An Embedded Software Primer. China Machine Press, 2005 [5]. Michael Barri. Programming Embedded Systems in C and C++. O’Reilly, 1999 [6]. Joe Pardue. C Programming for Microcontrollers. Smiley Micros, 2005 [7]. Peter Marweden. Embedded Systems Design. Springer, 2006♦