Cấu trúc phần cứng Vi điều khiển MCS-51
Các thành viên của họ MCS-51 (Atmel) có các đặc điểm chung như sau:
Có 4/8/12/20 Kbyte bộ nhớ FLASH ROM bên trong để lưu chương trình. Nhờ vậy Vi điều khiển có khả năng nạp xoá chương trình bằng điện đến 10000 lần.
- 128 Byte RAM nội
- 4 Port xuất/nhập 8 bit
- Từ 2 đến 3 bộ định thời 16-bit
- Có khả năng giao tiếp truyền dữ liệu nối tiếp
Có thể mở rộng không gian nhớ chương trình ngoài 64KByte (bộ nhớ ROM ngoại): khi chương trình do người lập trình viết ra có dung lượng lớn hơn dung lượng bộ nhớ ROM nội, để lưu được chương trình này cần bộ nhớ ROM lớn hơn, cách giải quyết là kết nối Vi điều khiển với bộ nhớ ROM từ bên ngoài (hay còn gọi là ROM ngoại). Dung lượng bộ nhớ ROM ngoại lớn nhất mà Vi điều khiển có thể kết nối là 64KByte
- Có thể mở rộng không gian nhớ dữ liệu ngoài 64KByte (bộ nhớ RAM ngoại)
- Bộ xử lí bit (thao tác trên các bit riêng rẽ)
210 bit có thể truy xuất đến từng bit
1.2.KHẢO SÁT SƠ ĐỒ CHÂN
Mặc dù các thành viên của họ MSC-51 và vi điều khiển 8051 có nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau, chẳng hạn như hai hàng chân DIP (Dual In-Line Pakage) dạng vỏ dẹt vuông QFP (Quad Flat Pakage) và dạng chíp không có chân đỡ LLC (Leadless Chip Carrier) và đều có 40 chân cho các chức năng khác nhau như vào ra I/0, đọc , ghi , địa chỉ, dữ liệu và ngắt. Tuy nhiên, vì hầu hết các nhà phát triển chính dụng chíp đóng vỏ 40 chân với hai hàng chân DIP, nên chúng ta cùng khảo sát Vi điều khiển với 40 chân dạng DIP.
Sơ đồ chân vi điều khiển
Hình 1.2.1
1.2.1. Chân VCC:
- Chân số 40 là VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển
- Nguồn điện cấp là +5V±0.5.
1.2.2. Chân GND:
- Chân số 20 nối GND(hay nối Mass).
- Khi thiết kế cần sử dụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách đơn giản là sử dụng IC ổn áp 7805.
1.2.3. Port 0 (P0)
Port 0 gồm 8 chân (từ chân 32 đến 39) có hai chức năng:
- Chức năng xuất/nhập :các chân này được dùng để nhận tín hiệu từ bên ngoài vào để xử lí, hoặc dùng để xuất tín hiệu ra bên ngoài, chẳng hạn xuất tín hiệu để điều khiển led đơn sáng tắt.
- Chức năng là bus dữ liệu và bus địa chỉ (AD7-AD0) : 8 chân này (hoặc Port 0) còn làm nhiệm vụ lấy dữ liệu từ ROM hoặc RAM ngoại (nếu có kết nối với bộ nhớ ngoài), đồng thời Port 0 còn được dùng để định địa chỉ của bộ nhớ ngoài.
1.2.4.Port 1 (P1)
Port P1 gồm 8 chân (từ chân 1 đến chân 8), chỉ có chức năng làm các đường xuất/nhập, không có chức năng khác.
1.2.5.Port 2 (P2)
Port 2 gồm 8 chân (từ chân 21 đến chân 28) có hai chức năng:
- Chức năng xuất/nhập
- Chức năng là bus địa chỉ cao (A8-A15): khi kết nối với bộ nhớ ngoài có dung lượng lớn,cần 2 byte để định địa chỉ của bộ nhớ, byte thấp do P0 đảm nhận, byte cao do P2 này đảm nhận
1.2.6.Port 3 (P3)
Port 3 gồm 8 chân (từ chân 10 đến 17):
Chức năng xuất/nhập
Với mỗi chân có một chức năng riêng thứ hai như trong bảng sau:
1.2.7. Chân RESET (RST)
Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho vi điều khiển. Hệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trị ban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy.
1.2.8.Chân XTAL1 và XTAL2
Hai chân này có vị trí chân là 18 và 19 được sử dụng để nhận nguồn xung clock từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nối với thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định.
1.2.9. Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN
PSEN ( program store enable) tín hiệu được xuất ra ở chân 29 dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài. Chân này thường được nối với chân OE (output enable) của ROM ngoài.
Khi vi điều khiển làm việc với bộ nhớ chương trình ngoài, chân này phát ra tín hiệu kích hoạt ở mức thấp và được kích hoạt 2 lần trong một chu kì máy
Khi thực thi một chương trình ở ROM nội, chân này được duy trì ở mức logic không tích cực (logic 1)
(Không cần kết nối chân này khi không sử dụng đến)
1.2.10. Chân ALE (chân cho phép chốt địa chỉ-chân 30)
Khi Vi điều khiển truy xuất bộ nhớ từ bên ngoài, port 0 vừa có chức năng là bus địa chỉ, vừa có chức năng là bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ. Tín hiệu ở chân ALE dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và các đường dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt.
Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động đưa vào Vi điều khiển, như vậy có thể dùng tín hiệu ở ngõ ra ALE làm xung clock cung cấp cho các phần khác của hệ thống.
Ghi chú: khi không sử dụng có thể bỏ trống chân này
1.2.11. Chân EA
Chân EA dùng để xác định chương trình thực hiện được lấy từ ROM nội hay ROM ngoại.
Khi EA nối với logic 1(+5V) thì Vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ bộ nhớ nội
Khi EA nối với logic 0(0V) thì Vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ bộ nhớ ngoại
1.3. KẾT NỐI THIẾT BỊ BÊN NGOÀI
1.3.1.Kết nối trên hai chân XTAL1 và XTAL2.
Mạch dao động được đưa vào hai chân này thông thường được kết nối với dao động thạch anh như sau:
Kết nối mạch giao động vào vi điều khiển
Ghi chú: C1,C2= 30pF±10pF (thường được sử dụng với C1,C2 là tụ 33pF) dùng ổn định dao động cho thạch anh.
Hình 1.2.2
Hoặc có thể cấp tín hiệu xung clock lấy từ một mạch tạo dao động nào đó và đưa vào Vi điều khiển theo cách sau:
Tín hiệu xử lý
NC: để trống, chân XTAL2 để trống
Hình 1.2.3
1.3.2.Chu kì máy
Gọi fzat là tần số dao động của thạch anh. Đối với 89Sxx có thể sử dụng thạch anh có tần sốfzat từ 2MHz đến 33MHz.
Chu kì máy là khoảng thời gian cần thiết được qui định để Vi điều khiển thực hiện hoàn thành một lệnh cơ bản. Một chu kì máy bằng 12 lần chu kì dao động của nguồn xung dao động cấp cho nó.
Tck = 12.Toc
Với: Tck là chu kì máy
Toc là chu kì của nguồn xung dao động cấp cho Vi điều khiển
Như vậy: chu kỳ máy vi điều khiển
Với: Tck là chu kì máy
foc là tần số dao động cấp cho Vi điều khiển.
Ví dụ: Ta kết nối Vi điều khiển với thạch anh có tần số fzat là 12MHz, thì chu kì máy
Tck=12/(12.106)=10-6s =1µs
Chính vì lí do thạch anh có tần số fzat là 12MHz tạo ra chu kì máy là 1µs, thuận lợi cho việc tính toán thời gian khi lập trình do đó thạch anh có tần số fzat là 12MHz thường được sử dụng trong thực tế.
Khi giao tiếp truyền nối tiếp với máy vi tính dùng thạch anh có tần số fzat là 11.0592MHz.
1.3.3. Kết nối chân RESET-chân 9
Việc kết nối chân RESET đảm bảo hệ thống bắt đầu làm việc khi Vi điều khiển được cấp điện, hoặc đang hoạt động mà hệ thống bị lỗi cần tác động cho Vi điều khiển hoạt động trở lại, hoặc do người sử dụng muốn quay về trạng thái hoạt động ban đầu. Vì vậy chân RESET được kết nối như sau:Kết nối chân reset Vi điều khiển
Với Vi điều khiển sử dụng thạch anh có tần số fzat = 12MHz sử dụng C=10µF và R=10KΩ.
Hình 1.2.4
1.3.4. Kết nối các Port với led.
Các Port khi xuất tín hiệu ở mức logic 1 thường không đạt đến 5V mà dao động trong khoảng từ 3.5V đến 4.9V và dòng xuất ra rất nhỏ dưới 5mA(P0,P2 dòng xuất khoảng 1mA; P1,P3 dòng xuất ra khoảng 1mA đến 5mA) vì vậy dòng xuất này không đủ để có thể làm led sáng
Tuy nhiên khi các Port xuất tín hiệu ở mức logic 0 dòng điện cho phép đi qua lớn hơn rất nhiều:
Chân Vi điều khiển khi ở mức 0:
Dòng lớn nhất qua P0 : -25mA
Dòng lớn nhất qua P1,P2,P3 : -15mA
Do đó khi kết nối với led hoặc các thiết bị khác Vi điều khiển sẽ gặp trở ngại là nếu tác động làm led sáng khi Vi điều khiển xuất ở mức 1, lúc này dòng và áp ra không đủ để led có thể sáng rõ (led đỏ sáng ở điện áp 1.6V-2.2V và dòng trong khoảng 10mA). Khắc phục bằng cách sau:
a.Cho led sáng khi Vi điều khiển ở mức 0:
sơ đồ kết nối Led sáng ở mức 0Px.x thay cho các chân xuất của các Port. Ví dụ: Chân P1.1, P2.0, v.v...
Khi Px.x ở mức 1 led không sáng
Khi Px.x ở mức 0 led sáng
Hình 1.2.5
b. Cho led sáng khi Vi điều khiển xuất ở mức 1:
Như đã trình bày vì ngõ ra Vi điều khiển khi xuất ở mức 1 không đủ để cho led sáng, để led sáng được cần đặt thêm một điện trở kéo lên nguồn VCC(gọi là điện trở treo).
Sơ đồ kết nối LED sáng ở mức 1
Hình 1.2.6
Tuỳ từng trường hợp mà chọn R2 để dòng và áp phù hợp với thiết bị nhận.
Khi Px.x ở mức 0, có sự chênh lệch áp giữa nguồn VCC và chân Px.x -dòng điện đi từ VCC qua R2 và Px.x về Mass, do đó hiệu điện thế giữa hai chân led gần như bằng 0, led không sáng.
Khi Px.x ở mức 1 (+5V),dòng điện không chạy qua chân Vi điều khiển để về mass được, có sự lệch áp giữa hai chân led, dòng điện trong trường hợp này qua led về Mass do đó led sáng.
R2 thường được sử dụng với giá trị từ 4.7KΩ đến 10KΩ. Nếu tất cả các chân trong 1 Port đều kết nối để tác động ở mức cao thì điện trở R2 có thể thay bằng điện trở thanh 9 chân vì nó có hình dáng và sử dụng dễ hơn khi làm mạch điện.
c. Ngoài cách sử dụng điện trở treo, việc sử dụng cổng đệm cũng có tác dụng thay đổi cường độ dòng điện xuất ra khi ngõ ra ở mức 1, cổng đệm xuất ra tín hiệu ở mức 1 với áp và dòng lớn khi có tín hiệu mức 1 đặt ở ngõ vào. Tùy theo yêu cầu của người thiết kế về dòng và áp cần thiết mà chọn IC đệm cho phù hợp. Chẳng hạn từ một ngõ ra P0.0 làm nhiều led sáng cùng lúc thì việc sử dụng IC đệm được ưu tiên hơn.
Có thể sử dụng 74HC244 hoặc 74HC245, tuy nhiên 74HC245 được cải tiến từ 74HC244 nên việc sử dụng 74HC245 dễ dàng hơn trong thiết kế mạch.
Sơ đồ điều khiển LED sử dụng cổng đệm
Hình 1.2.7
