Giáo Trình Vi Điều Khiển MCS-51 Tại Trường CĐ Kinh Tế Kỹ Thuật Vinatex TP.HCM

Giáo trình vi điều khiển tại trường CĐ Kinh tế Kỹ thuật Vinatex TP HCM cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn cho sinh viên.

• Trường học: Trường Cao Kinh Tế - Kỹ Thuật Vinatex
• Chuyên ngành: Điện - Điện Tử và Cơ Điện Tử
• Đề tài: Giáo Trình Vi Điều Khiển MCS-51
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ VI XỬ LÝ
• 1.1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC BỘ VI XỬ LÝ
• 1.2. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MỘT HỆ VI XỬ LÝ
• 1.2.1. Khái niệm hệ vi xử lý
• 1.2.2. Sơ đồ khối hệ vi xử lý
• 1.3. ĐƠN VỊ XỬ LÝ TRUNG TÂM
• 1.4. BỘ NHỚ BÁN DẪN
• 1.5. CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI (CÁC THIẾT BỊ XUẤT NHẬP)
• 1.6. HỆ THỐNG BUS
• 1.7. VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN
• 1.8. MINH HỌA KIẾN TRÚC CỦA MỘT HỆ VI ĐIỀU KHIỂN
• 1.9. LỰA CHỌN BỘ VI ĐIỀU KHIỂN KHI THIẾT KẾ
• 1.9.1. Tiêu chuẩn thứ nhất
• 1.9.2. Tiêu chuẩn thứ hai
• 1.9.3. Tiêu chuẩn thứ ba
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51
• 2.1. VI ĐIỀU KHIỂN AT89C51
• 2.2. Định thì chu kỳ máy
• 3. CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH HỢP NGỮ TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51
• 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH ĐỊA CHỈ
• 3.1.1. Định địa chỉ trực tiếp
• 3.1.2. Định địa chỉ gián tiếp
• 3.1.3. Định địa chỉ thanh ghi
• 3.1.4. Định địa chỉ tức thời
• 3.1.5. Định địa chỉ chỉ số
• 3.2. CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN KHI LẬP TRÌNH HỢP NGỮ
• 3.2.1. Khai báo dữ liệu
• 3.2.2. Cấu trúc chương trình
• 3.2.3. Nhóm lệnh chuyển dữ liệu
• 3.2.4. Nhóm lệnh xử lý bit
• 3.2.5. Nhóm lệnh chuyển điều khiển
• 3.2.6. Nhóm lệnh logic
• 3.2.7. Nhóm lệnh số học
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC HOẠT ĐỘNG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51
• 4.1. HOẠT ĐỘNG ĐỊNH THỜI (TIMER / COUNTER)
• 4.1.1. Hoạt động Timer / Counter
• 4.1.2. Các thanh ghi điều khiển hoạt động
• 4.1.3. Các chế độ hoạt động
• 4.2. CỔNG NỐI TIẾP (SERIAL PORT)
• 4.2.1. Các thanh ghi điều khiển hoạt động
• 4.2.2. Tạo tốc độ baud
• 4.2.3. Truyền thông đa xử lý
• 4.2.4. Nhận dạng địa chỉ tự động
• 4.2.5. Kiểm tra lỗi khung
• 4.2.6. Các thanh ghi điều khiển hoạt động
• 4.2.7. Ngắt do bộ định thời
• 4.2.8. Ngắt do cổng nối tiếp
• 5. CHƯƠNG 5: CÁC ỨNG DỤNG DỰA TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51
• 5.1. ĐIỀU KHIỂN LED ĐƠN
• 5.2. ĐIỀU KHIỂN LED 7 ĐOẠN
• 5.2.1. Cấu trúc và bảng mã hiển thị dữ liệu trên Led 7 đoạn
• 5.2.2. Các phương pháp hiển thị dữ liệu
• 5.3. ĐIỀU KHIỂN MA TRẬN LED
• 5.4. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
• 5.5. ĐIỀU KHIỂN LCD (Liquid Crystal Display)
• 5.6. GIAO TIẾP VỚI PPI8255
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình Vi điều khiển MCS 51 tại Vinatex

Giáo trình Vi điều khiển MCS-51 tại Trường CĐ Kinh Tế Kỹ Thuật Vinatex TP.HCM được biên soạn nhằm cung cấp kiến thức cơ bản về hệ vi xử lý và vi điều khiển. Nội dung giáo trình bao gồm các chương trình học từ lý thuyết đến thực hành, giúp sinh viên nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết trong lĩnh vực điện – điện tử.

1.1. Mục tiêu của giáo trình Vi điều khiển MCS 51

Giáo trình hướng đến việc trang bị cho sinh viên kiến thức về cấu trúc, lập trình và ứng dụng của vi điều khiển MCS-51. Sinh viên sẽ được học cách lập trình và ứng dụng thực tế trong các dự án điện tử.

1.2. Cấu trúc của giáo trình Vi điều khiển MCS 51

Giáo trình được chia thành 5 chương, mỗi chương tập trung vào một khía cạnh khác nhau của vi điều khiển MCS-51, từ giới thiệu chung đến các ứng dụng thực tiễn.

II. Thách thức trong việc giảng dạy Vi điều khiển MCS 51

Việc giảng dạy Vi điều khiển MCS-51 tại Trường CĐ Kinh Tế Kỹ Thuật Vinatex gặp phải một số thách thức. Đầu tiên là sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, yêu cầu giáo trình phải thường xuyên cập nhật. Thứ hai, sinh viên cần có nền tảng vững chắc về lý thuyết và thực hành để có thể áp dụng kiến thức vào thực tế.

2.1. Khó khăn trong việc tiếp cận kiến thức mới

Sinh viên thường gặp khó khăn trong việc tiếp cận các công nghệ mới liên quan đến vi điều khiển MCS-51, do đó cần có các phương pháp giảng dạy hiệu quả hơn.

2.2. Thiếu tài liệu học tập phù hợp

Tài liệu học tập hiện tại chưa đáp ứng đủ nhu cầu của sinh viên, đặc biệt là trong việc thực hành lập trình và ứng dụng vi điều khiển.

III. Phương pháp giảng dạy hiệu quả cho Vi điều khiển MCS 51

Để giải quyết các thách thức trong việc giảng dạy Vi điều khiển MCS-51, cần áp dụng các phương pháp giảng dạy hiện đại. Việc kết hợp lý thuyết và thực hành sẽ giúp sinh viên nắm vững kiến thức hơn.

3.1. Sử dụng mô hình học tập tích cực

Mô hình học tập tích cực khuyến khích sinh viên tham gia vào quá trình học tập thông qua các hoạt động thực hành và dự án nhóm.

3.2. Tích hợp công nghệ vào giảng dạy

Sử dụng các công cụ phần mềm mô phỏng và lập trình trực tuyến sẽ giúp sinh viên dễ dàng tiếp cận và thực hành hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Vi điều khiển MCS 51 trong giáo dục

Vi điều khiển MCS-51 không chỉ được sử dụng trong giảng dạy mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Sinh viên có thể áp dụng kiến thức đã học vào các dự án thực tế, từ đó nâng cao kỹ năng và kinh nghiệm làm việc.

4.1. Dự án điều khiển LED và động cơ

Sinh viên có thể thực hiện các dự án điều khiển LED và động cơ bước, giúp họ hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của vi điều khiển.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống tự động hóa

Vi điều khiển MCS-51 có thể được ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa, từ đó giúp sinh viên có cái nhìn thực tế về ngành công nghiệp.

V. Kết luận và tương lai của giáo trình Vi điều khiển MCS 51

Giáo trình Vi điều khiển MCS-51 tại Trường CĐ Kinh Tế Kỹ Thuật Vinatex TP.HCM đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho ngành điện – điện tử. Tương lai của giáo trình cần được cập nhật thường xuyên để đáp ứng nhu cầu của thị trường.

5.1. Định hướng phát triển giáo trình

Cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa nhà trường và doanh nghiệp để cập nhật nội dung giáo trình phù hợp với xu hướng công nghệ mới.

5.2. Tăng cường thực hành và nghiên cứu

Khuyến khích sinh viên tham gia vào các nghiên cứu và dự án thực tế sẽ giúp họ nâng cao kỹ năng và khả năng làm việc trong môi trường thực tế.

Nội dung chính

TỔNG QUAN VỀ GIÁO TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN

Tổng quan về giáo trình

• Môn học và vị trí trong chương trình đào tạo: Giáo trình Vi điều khiển (2017) do Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex TP.HCM biên soạn là tài liệu giảng dạy chuyên ngành cốt lõi thuộc chương trình đào tạo hệ Cao đẳng chuyên nghiệp và Cao đẳng nghề cho hai ngành: Kỹ thuật Điện – Điện tử và Cơ điện tử. Học phần đóng vai trò cầu nối giữa khối kiến thức kỹ thuật điện tử số cơ bản và các hệ thống điều khiển tự động hóa nhúng.
• Mục tiêu học tập (Learning Outcomes): Cung cấp hệ thống kiến thức nền tảng về cấu trúc phần cứng của hệ vi xử lý nói chung và họ vi điều khiển MCS-51 (trọng tâm là vi điều khiển AT89C51) nói riêng. Sau khi hoàn thành học phần, người học có khả năng phân tích sơ đồ khối, hiểu rõ nguyên lý định thì chu kỳ máy, làm chủ tập lệnh hợp ngữ (Assembly), thiết kế mạch giải mã địa chỉ và lập trình ghép nối vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi phục vụ ứng dụng công nghiệp.
• Cấu trúc và cách tiếp cận: Giáo trình có dung lượng 5 chương, được phân bổ theo tỷ lệ 40 tiết lý thuyết (LT) và 90 tiết thực hành (TH). Cách tiếp cận đi từ khái quát hệ thống máy tính/vi xử lý, đào sâu cấu trúc phần cứng chi tiết của IC vi điều khiển, hướng dẫn cú pháp tập lệnh hợp ngữ, phân tích hoạt động của các khối chức năng nội vi và kết thúc bằng các bài toán ghép nối phần cứng ứng dụng thực tế.
• Điểm đặc sắc của giáo trình: Tài liệu kết hợp chặt chẽ giữa đặc tính điện học chi tiết (thông số DC, AC, dòng sink/source, giản đồ định thì bus) với kỹ thuật lập trình điều khiển ở mức thanh ghi, tạo cơ sở kỹ thuật vững chắc để người học tiếp cận các họ vi điều khiển nâng cao khác.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

• Chương I: Giới thiệu chung về bộ vi xử lý (5 tiết LT): Trình bày lịch sử phát triển qua 4 thế hệ vi xử lý (từ chip 4-bit PMOS 4040 thế hệ 1 giai đoạn 1971–1973 đến chip 32/64-bit thế hệ 4 từ 1983). Phân tích sơ đồ khối tổng quát gồm CPU (ALU, IR, PC, đơn vị giải mã và điều khiển), bộ nhớ bán dẫn (phân loại ROM: MROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash ROM; RAM: SRAM, DRAM), hệ thống bus (Address bus 1 chiều, Data bus 2 chiều, Control bus) và bảng so sánh vi xử lý và vi điều khiển. Đưa ra 3 tiêu chuẩn chọn chip vi điều khiển khi thiết kế hệ thống.
• Chương II: Tổng quan về vi điều khiển MCS-51 (15 tiết LT): Khảo sát vi điều khiển AT89C51 (công nghệ CMOS, 4KB Flash PEROM, 128 byte RAM nội, tần số 0–24 MHz). Chi tiết sơ đồ 40 chân DIP, chức năng các Port P0–P3, các chân điều khiển PSEN, ALE/PROG, EA/VPP, RST. Định nghĩa chu kỳ máy (12 xung clock qua 6 trạng thái S1P1–S6P2), cấu trúc bộ nhớ Harvard (tách biệt 64KB mã ngoài và 64KB dữ liệu ngoài), hệ thống thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR), thanh ghi trạng thái chương trình PSW, con trỏ stack SP, con trỏ dữ liệu DPTR, mạch reset, chế độ khóa bộ nhớ (LB1–LB3) và các thông số DC/AC.
• Chương III: Lập trình hợp ngữ trên vi điều khiển MCS-51 (10 tiết LT): Trình bày 5 phương pháp định địa chỉ (trực tiếp, gián tiếp, thanh ghi, tức thời, chỉ số). Hướng dẫn cú pháp câu lệnh hợp ngữ, các chỉ dẫn giả định (ORG, DB, DW, EQU, BIT, END), các toán tử số học, logic, quan hệ. Phân tích chi tiết nhóm lệnh di chuyển dữ liệu trong RAM nội (MOV, PUSH, POP, XCH, XCHD), truy xuất RAM ngoại (MOVX) và tra cứu dữ liệu trong bộ nhớ chương trình (MOVC).
• Chương IV: Các hoạt động của vi điều khiển MCS-51 (5 tiết LT): Nghiên cứu hoạt động của bộ định thời/bộ đếm (Timer/Counter 0 và 1, các thanh ghi TMOD, TCON), cổng truyền thông nối tiếp phần cứng (UART, các thanh ghi SCON, SBUF, tạo tốc độ baud, chế độ truyền thông đa xử lý) và cơ chế xử lý ngắt (thanh ghi IE, IP, ngắt ngoài, ngắt timer, ngắt cổng nối tiếp).
• Chương V: Các ứng dụng dựa trên vi điều khiển MCS-51 (10 tiết LT + 90 tiết TH): Ứng dụng điều khiển các thiết bị ngoại vi: LED đơn, LED 7 đoạn (cấu trúc anode/cathode chung, bảng mã, phương pháp quét hiển thị), ma trận LED, động cơ bước, màn hình tinh thể lỏng LCD và ghép nối mở rộng cổng song song qua vi mạch lập trình được PPI 8255.
• Progression Logic: Nội dung được tổ chức chặt chẽ theo tiến trình: Cơ sở lý thuyết hệ thống máy tính $\rightarrow$ Cấu trúc phần cứng chi tiết của IC $\rightarrow$ Tập lệnh và cú pháp lập trình $\rightarrow$ Điều khiển các khối nội vi $\rightarrow$ Tích hợp hệ thống và giao tiếp ngoại vi thực tế.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Fundamental Theories: Lý thuyết kiến trúc máy tính CISC, nguyên lý phân tách không gian nhớ theo cấu trúc Harvard, lý thuyết nạp lệnh - giải mã lệnh và điều khiển bus đồng bộ.
• Core Principles: Nguyên lý ghép kênh đa hợp địa chỉ/dữ liệu tại Port 0 thông qua chốt ALE, nguyên lý hoạt động kéo dòng (sink) và cấp dòng (source) của các cổng I/O, cơ chế dịch mức nguồn giảm (Power Down) và nghỉ (Idle) thông qua thanh ghi PCON.
• Essential Frameworks: Cấu trúc khung chương trình hợp ngữ chuẩn (định vị vector Reset tại 0000h, nhảy đến chương trình chính tại 0030h để tránh vùng vector ngắt 0003h–002Fh), mô hình giải mã địa chỉ bộ nhớ và thiết bị ngoại vi sử dụng vi mạch logic 74LS138.

Kỹ năng phát triển

• Technical Skills: Kỹ năng phân tích sơ đồ chân vi mạch, tính toán dung lượng bộ nhớ từ số đường địa chỉ ($2^N$), thiết lập giá trị nạp cho các thanh ghi TMOD, TCON, SCON, PSW và tính toán chu kỳ định thì dựa trên tần số thạch anh.
• Analytical Skills: Kỹ năng phân tích bản đồ không gian bộ nhớ (Memory Map), tính toán giải mã đường chọn chip (CS), xử lý xung nhịp định thời gian thực và phân tích lỗi truyền dữ liệu thông qua cờ chẵn lẻ (Parity Flag P).
• Practical Competencies: Kỹ năng viết mã nguồn hợp ngữ (.asm), sử dụng công cụ hợp dịch tạo file thực thi (.hex), nạp chương trình vào chip AT89C51 qua mạch nạp phần cứng và vận hành các mạch điều khiển hiển thị/động cơ thực tế.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

• Pedagogical Approach: Giáo trình áp dụng phương pháp đào tạo tích hợp giữa lý thuyết chuyên sâu và thực nghiệm xưởng. Với cấu trúc 40 tiết lý thuyết và 90 tiết thực hành tập trung tại Chương V, người học được kiểm chứng các khái niệm trừu tượng (như chu kỳ máy, thanh ghi chức năng) thông qua các bài tập thực hành nối dây và nạp mã điều khiển trực tiếp trên linh kiện.
• Bài tập và Case Studies:
  • Bài tập thiết kế phần cứng: Phân tích nguyên nhân Port 0 cần điện trở kéo lên ngoài (pull-up) do cấu trúc cực máng hở khi làm nhiệm vụ I/O; thiết kế sơ đồ mạch giải mã địa chỉ sử dụng vi mạch giải mã 74LS138 kết nối đồng thời 1 RAM 8KB, 1 RAM 4KB và 1 ROM 16KB theo bản đồ địa chỉ xác định.
  • Bài tập lập trình hợp ngữ: Thực hiện các thao tác luân chuyển dữ liệu giữa các bank thanh ghi (Bank 0 – Bank 3), thao tác xử lý bit trên vùng nhớ định địa chỉ bit (20h–2Fh), và giải thuật hoán đổi dữ liệu bằng các lệnh XCH, XCHD.
• Practical Exercises: Lập trình điều khiển các module ngoại vi thực tế: mạch nhấp nháy LED đơn, mạch đếm hiển thị LED 7 đoạn dùng phương pháp quét LED, điều khiển bước quay của động cơ bước, xuất ký tự lên màn hình LCD và mở rộng bus vào/ra qua chip PPI 8255.
• Assessment Methods: Đánh giá kết quả học tập thông qua hai hình thức: kiểm tra lý thuyết (khả năng vẽ sơ đồ ghép nối bộ nhớ, phân tích chức năng thanh ghi, viết đoạn mã hợp ngữ) và kiểm tra thực hành trực tiếp trên bo mạch thí nghiệm (mạch chạy đúng giải thuật, tín hiệu hiển thị chính xác).
• Self-Study Guidelines: Người học cần chủ động tra cứu bảng thông số kỹ thuật (Datasheet) của AT89C51, rèn luyện kỹ năng phân tích bảng thanh ghi SFR (Bảng 2.2 trong giáo trình), và thực hành sử dụng các phần mềm soạn thảo văn bản kết hợp trình dịch mô phỏng như sim51 trước khi nạp mã vào chip thực tế.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Updates so với nền tảng vi xử lý cũ: Giáo trình phân tích sự chuyển đổi từ các bộ vi xử lý cổ điển thế hệ 1 (như Intel 4040, Rockwell PPS-4 dùng PMOS), thế hệ 2 (Intel 8080/8085, Z80 dùng NMOS/CMOS) đòi hỏi nhiều chip ngoại vi phụ trợ sang vi điều khiển tích hợp hoàn chỉnh AT89C51 của hãng Atmel chế tạo theo công nghệ CMOS.
• Current Trends được Integrate: Cập nhật công nghệ bộ nhớ Flash PEROM (Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) cho phép xóa/ghi bằng tín hiệu điện lên tới 1000 chu kỳ, thay thế hoàn toàn công nghệ ROM UV-EPROM cũ (dòng 27xxx) vốn phải xóa bằng tia cực tím phức tạp.
• Real-World Applications: Khảo sát các bài toán ứng dụng sát với thực tế sản xuất công nghiệp và đời sống, bao gồm kỹ thuật quét hiển thị thông tin số lượng lớn trên ma trận LED/LED 7 đoạn, kỹ thuật điều khiển chính xác góc quay động cơ bước và giao tiếp hiển thị chuỗi ký tự trên màn hình LCD.
• Industry Connections: Cung cấp 3 tiêu chuẩn cốt lõi khi lựa chọn vi điều khiển trong thiết kế sản phẩm thương mại: (1) Tính toán hiệu quả kinh tế, tốc độ, kiểu đóng vỏ (DIP 40 chân, QFP), công suất tiêu thụ; (2) Sự sẵn có của công cụ phát triển phần mềm/mô phỏng; (3) Khả năng đáp ứng chuỗi cung ứng số lượng lớn trong hiện tại và tương lai.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên mục tiêu: Sinh viên năm thứ 2 hoặc năm thứ 3 bậc Cao đẳng chuyên nghiệp và Cao đẳng nghề thuộc các ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Cơ điện tử, Tự động hóa và Công nghệ kỹ thuật máy tính.
• Prerequisites cần có: Người học cần hoàn thành các học phần tiên quyết bao gồm:
  • Kỹ thuật số: Nắm vững hệ đếm nhị phân, thập lục phân (Hex), đại số logic Boole, cổng logic, mạch giải mã, mạch đếm và chốt dữ liệu (74HC573, 74LS138).
  • Mạch điện tử – Kỹ thuật điện: Hiểu rõ nguyên lý phân cực linh kiện bán dẫn (Diode, BJT, FET), mức logic điện áp TTL/CMOS, và khái niệm dòng sink/source.
• Giảng viên và cách sử dụng: Giảng viên sử dụng giáo trình làm khung tài liệu giảng dạy chuẩn để phân bổ bài giảng 40 tiết lý thuyết trên lớp và 90 tiết hướng dẫn thực hành tại phòng thí nghiệm vi xử lý. Các bảng dữ liệu kỹ thuật, sơ đồ định thì AC/DC và bài tập cuối chương có thể trích xuất trực tiếp thành đề bài kiểm tra, đồ án môn học.
• Tự học và Reference: Kỹ sư, kỹ thuật viên làm việc tại các nhà máy, xí nghiệp tự động hóa có thể sử dụng giáo trình như tài liệu tra cứu cứu cánh về tập lệnh hợp ngữ MCS-51, cấu trúc thanh ghi phần cứng và sơ đồ kết nối IC ngoại vi chuẩn.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được thiết kế chuyên biệt cho học viên, sinh viên trình độ cao đẳng khối ngành kỹ thuật (Điện – Điện tử, Cơ điện tử) và kỹ thuật viên cần nắm vững nền tảng vi điều khiển họ MCS-51 từ mức cấu trúc phần cứng đến lập trình ứng dụng.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần trang bị kiến thức về Kỹ thuật số (hệ đếm nhị phân, hex, cổng logic, mạch tuần tự, mạch tổ hợp) và Mạch điện tử cơ bản (khái niệm dòng điện, điện áp mức logic, điện trở kéo lên pull-up).

3. Điểm khác biệt của giáo trình này là gì?

Giáo trình phân tích sâu đặc tính vật lý phần cứng ở mức bán dẫn và giản đồ thời gian (định thì xung clock, chu kỳ máy $S_1P_1 - S_6P_2$, thông số AC/DC, chế độ nạp Flash ROM ở điện áp 5V/12V) thay vì chỉ hướng dẫn lập trình thuần túy, đồng thời dành tới 90 tiết cho thực hành ghép nối ngoại vi thực tế.

4. Làm sao để tự học giáo trình hiệu quả?

Người học nên kết hợp đọc hiểu lý thuyết cấu trúc thanh ghi ở Chương II, thực hành viết các đoạn mã hợp ngữ ngắn theo cú pháp Chương III, mô phỏng thử nghiệm qua phần mềm biên dịch (sim51), sau đó giải quyết toàn bộ các bài tập thiết kế mạch giải mã địa chỉ và ghép nối ngoại vi ở cuối mỗi chương.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Giáo trình cung cấp hệ thống bảng tra cứu chuẩn: Bảng thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR), Bảng phân bổ RAM nội/bit-addressable, Bảng bit định nghĩa trước, Bảng thông số DC/AC, cùng hệ thống câu hỏi, bài tập thiết kế mạch giải mã địa chỉ ở cuối các chương.

---

Kết luận

• Giá trị cốt lõi của giáo trình: Giáo trình Vi điều khiển (2017) của Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex TP.HCM là tài liệu học thuật kỹ thuật có tính hệ thống cao, phản ánh chuẩn xác các nguyên lý vi xử lý và cấu trúc vi điều khiển 8-bit họ MCS-51 thông qua trường hợp điển hình AT89C51.
• Lộ trình học tập đề xuất: $$\text{Nắm vững lý thuyết CPU/Bus (Chương I)} \longrightarrow \text{Khảo sát phần cứng AT89C51 (Chương II)} \longrightarrow \text{Lập trình hợp ngữ (Chương III)} \longrightarrow \text{Điều khiển khối nội vi (Chương IV)} \longrightarrow \text{Triển khai 90 tiết thực hành ứng dụng ngoại vi (Chương V)}$$
• Tài nguyên bổ trợ tham khảo: Sinh viên và giảng viên nên kết hợp khai thác phần mềm biên dịch hợp ngữ/mô phỏng vi điều khiển, sơ đồ bo mạch nạp chip Flash AT89C51 và các tập dữ liệu kỹ thuật (datasheet) của các vi mạch giao tiếp phụ trợ như 74LS138, 74HC573 và PPI 8255.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ VI XỬ LÝ Trang 8 Điều khiển logic. - Program Counter: Bộ đếm chương trình. - Instructions/Addresses: Các lệnh / địa chỉ.

LỰA CHỌN BỘ VI ĐIỀU KHIỂN KHI THIẾT KẾ: Có bốn họ vi điều khiển thông dụng trên thị trường hiện nay là: 68xxx của Motorola, 80xxx của Intel, Z8xx của Zilog và PIC16xxx của Microchip Technology. Mỗi loại vi điều khiển trên đều có một tập lệnh và thanh ghi riêng nên chúng không tương thích lẫn nhau. Vậy khi ta tiến hành thiết kế một hệ thống sử dụng vi điều khiển thì ta cần dựa trên những tiêu chuẩn nào? Có ba tiêu chẩn chính: 1. Tiêu chuẩn thứ nhất Đáp ứng yêu cầu tính toán một cách hiệu quả và kinh tế.

Do vậy, trước tiên ta cần phải xem xét bộ vi điều khiển 8 bit, 16 bit hay 32 bit là thích hợp nhất. Một số tham số kỹ thuật cần được cân nhắc khi chọn lựa là: - Tốc độ: tốc độ lớn nhất mà vi điều khiển hỗ trợ là bao nhiêu. - Kiểu IC: là kiểu 40 chân DIP, QFP hay là kiểu đóng vỏ khác (DIP: vỏ dạng hai hàng chân, QFP: vỏ vuông dẹt). Kiểu đóng vỏ rất quan trọng khi có yêu cầu về không gian, kiểu lắp ráp và tạo mẫu thử cho sản phẩm cuối cùng.

- Công suất tiêu thụ: là một tiêu chuẩn cần đặc biệt lưu ý nếu sản phẩm dùng pin hoặc điện áp lưới. - Dung lượng bộ nhớ ROM và RAM tích hợp sẵn trên chip. - Số chân vào/ra và bộ định thời trên chip. - Khả năng dễ dàng nâng cao hiệu suất hoặc giảm công suất tiêu thụ.

- Giá thành trên một đơn vị khi mua số lượng lớn. Vì đây là vấn đề có ảnh hưởng đến giá thành cuối cùng của sản phẩm. Tiêu chuẩn thứ hai Có sẵn các công cụ phát triển phần mềm, chẳng hạn như các chương trình mô phỏng, trình biên dịch, trình hợp dịch và gỡ rối. Tiêu chuẩn thứ ba Khả năng đáp ứng về số lượng ở hiện tại cũng như ở tương lai.

Đối với một số nhà thiết kế thì tiêu chuẩn này thậm chí còn quan trọng hơn cả hai tiêu chuẩn trên. Chương II. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51 Trang 9 Chương II. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51 Chương này giới thiệu tổng quan về họ vi điều khiển MCS-51(chủ yếu trên AT89C51):cấu trúc phần cứng, sơ đồ chân, các thanh ghi, đặc tính lập trình và các đặc tính về điện.

GIỚI THIỆU Họ vi điều khiển MCS-51 do Intel sản xuất đầu tiên vào năm 1980 là các IC thiết kế cho các ứng dụng hướng điều khiển. Các IC này chính là một hệ thống vi xử lý hoàn chỉnh bao gồm các các thành phần của hệ vi xử lý:CPU, bộ nhớ, các mạch giao tiếp, điều khiển ngắt. MCS-51 là họ vi điều khiển sử dụng cơ chế CISC (Complex Instruction Set Computer), có độ dài và thời gian thực thi của các lệnh khác nhau. Tập lệnh cung cấp cho MCS-51 có các lệnh dùng cho điều khiển xuất / nhập tác động đến từng bit.

MCS-51 bao gồm nhiều vi điều khiển khác nhau, bộ vi điều khiển đầu tiên là 8051 có 4KB ROM, 128 byte RAM và 8031, không có ROM nội, phải sử dụng bộ nhớ ngoài. Sau này, các nhà sản xuất khác như Siemens, Fujitsu, … cũng được cấp phép làm nhà cung cấp thứ hai. MCS-51 bao gồm nhiều phiên bản khác nhau, mỗi phiên bản sau tăng thêm một số thanh ghi điều khiển hoạt động của MCS-51. VI ĐIỀU KHIỂN AT89C51 AT89C51 là vi điều khiển do Atmel sản xuất, chế tạo theo công nghệ CMOS có các đặc tính như sau: - 4 KB FPEROM (Flash Programmable and Erasable Read Only Memory), có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi xoá.

- Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz - 3 mức khóa bộ nhớ lập trình - 128 Byte RAM nội. - 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit. - 2 bộ Timer/counter 16 Bit. - Giao tiếp nối tiếp điều khiển bằng phần cứng.

- 64 KB vùng nhớ mã ngoài, 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài. - Cho phép xử lý bit. - 210 vị trí nhớ có thể định vị bit. - 4 chu kỳ máy (4 µs đối với thạch anh 12MHz) cho hoạt động nhân hoặc chia.

Ngoải ra, một số IC khác của họ MCS-51 có thêm bộ định thời thứ 3 và 256 byte RAM nội. Chương II. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51 Trang 10 1. Sơ đồ khối AT89C51 Hình 2.1 – Sơ đồ khối của AT89C51 AT89C51 gồm có 40 chân, mô tả như sau: Port 0 là port có 2 chức năng ở các chân 32 – 39 của AT89C51: - Chức năng IO (xuất / nhập): dùng cho các thiết kế nhỏ.

Tuy nhiên, khi dùng chức năng này thì Port 0 phải dùng thêm các điện trở kéo lên (pull-up), giá trị của điện trở phụ thuộc vào thành phần kết nối với Port. Khi dùng làm ngõ ra, Port 0 có thể kéo được 8 ngõ TTL. Khi dùng làm ngõ vào, Port 0 phải được set mức logic 1 trước đó. Chương II.

TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51 Trang 11 Hình 2.2 – Sơ đồ chân của AT89C51 - Chức năng địa chỉ / dữ liệu đa hợp: khi dùng các thiết kế lớn, đòi hỏi phải sử dụng bộ nhớ ngoài thì Port 0 vừa là bus dữ liệu (8 bit) vừa là bus địa chỉ (8 bit thấp). Ngoài ra khi lập trình cho AT89C51, Port 0 còn dùng để nhận mã khi lập trình và xuất mã khi kiểm tra (quá trình kiểm tra đòi hỏi phải có điện trở kéo lên) Port 1: Port1 (chân 1 – 8) chỉ có một chức năng là IO, không dùng cho mục đích khác (chỉ trong 8032/8052/8952 thì dùng thêm P1.1 cho bộ định thời thứ 3). Tại Port 1 đã có điện trở kéo lên nên không cần thêm điện trở ngoài. Port 1 có khả năng kéo được 4 ngõ TTL và còn dùng làm 8 bit địa chỉ thấp trong quá trình lập trình hay kiểm tra.

Khi dùng làm ngõ vào, Port 1 phải được set mức logic 1 trước đó. Port 2: Port 2 (chân 21 – 28) là port có 2 chức năng: - Chức năng IO (xuất / nhập):có khả năng kéo được 4 ngõ TTL. - Chức năng địa chỉ:dùng làm 8 bit địa chỉ cao khi cần bộ nhớ ngoài có địa chỉ 16 bit. Khi đó, Port 2 không được dùng cho mục đích IO.

Khi dùng làm ngõ vào, Port 2 phải được set mức logic 1 trước đó. Khi lập trình, Port 2 dùng làm 8 bit địa chỉ cao hay một số tín hiệu điều khiển. Port 3: Port 3 (chân 10 – 17) là port có 2 chức năng: - Chức năng IO: có khả năng kéo được 4 ngõ TTL. Chương II.

TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51 Trang 12 Khi dùng làm ngõ vào, Port 3 phải được set mức logic 1 trước đó. - Chức năng khác: mô tả như Bảng 2.1: Chức năng các chân của Port 3 Bit Tên Chức năng P3.0 RxD Ngõ vào port nối tiếp P3.1 TxD Ngõ ra port nối tiếp P3.2 INT0 Ngắt ngoài 0 P3.3 INT1 Ngắt ngoài 1 P3.4 T0 Ngõ vào của bộ định thời 0 P3.5 T1 Ngõ vào của bộ định thời 1 P3.6 WR Tín hiệu điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài.7 RD Tín hiệu điều khiển đọc từ bộ nhớ dữ liệu ngoài. Nguồn: Chân 40:VCC = 5V ± 20% Chân 20:GND PSEN (Program Store Enable): PSEN (chân 29) cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng đối với các ứng dụng sử dụng ROM ngoài, thường được nối đến chân OC (Output Control) của ROM để đọc các byte mã lệnh. PSEN sẽ ở mức logic 0 trong thời gian AT89C51 lấy lệnh.Trong quá trình này, PSEN sẽ tích cực 2 lần trong 1 chu kỳ máy.

Mã lệnh của chương trình được đọc từ ROM thông qua bus dữ liệu (Port0) và bus địa chỉ (Port0 + Port2). Khi 8951 thi hành chương trình trong ROM nội, PSEN sẽ ở mức logic 1. ALE/ PROG (Address Latch Enable / Program): ALE/ PROG (chân 30) cho phép tách các đường địa chỉ và dữ liệu tại Port 0 khi truy xuất bộ nhớ ngoài. ALE thường nối với chân Clock của IC chốt (74373, 74573).

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống. Xung này có thể cấm bằng cách set bit 0 của SFR tại địa chỉ 8Eh lên 1. Khi đó, ALE chỉ có tác dụng khi dùng lệnh MOVX hay MOVC. Ngoài ra, chân này còn được dùng làm ngõ vào xung lập trình cho ROM nội ( PROG ).

EA /VPP (External Access): EA (chân 31) dùng để cho phép thực thi chương trình từ ROM ngoài. Khi nối chân 31 với Vcc, AT89C51 sẽ thực thi chương trình từ ROM nội (tối đa 8KB), ngược lại thì thực thi từ ROM ngoài (tối đa 64KB). Chương II. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51 Trang 13 Ngoài ra, chân EA được lấy làm chân cấp nguồn 12V khi lập trình cho ROM.

RST (Reset): RST (chân 9) cho phép reset AT89C51 khi ngõ vào tín hiệu đưa lên mức 1 trong ít nhất là 2 chu kỳ máy. X1,X2: Ngõ vào và ngõ ra bộ dao động, khi sử dụng có thể chỉ cần kết nối thêm thạch anh và các tụ như hình vẽ trong sơ đồ. Tần số thạch anh thường sử dụng cho AT89C51 là 12Mhz. Giá trị C1, C2 = 30 pF ± 10 pF Hình 2.3 – Sơ đồ kết nối thạch anh 2.

Định thì chu kỳ máy Một chu kỳ máy bao gồm 6 trạng thái (12 xung clock). Một trạng thái bao gồm 2 phần ứng với 12 xung clock: Phase 1 và Phase 2. Như vậy, một chu kỳ máy bao gồm 12 xung clock được biểu diễn từ S1P1 đến S6P2 (State 1, Phase 1 - State 6, Phase 2). Chu kỳ lấy lệnh và thực thi lệnh mô tả như Hình 2.

Tín hiệu chốt địa chỉ ALE tích cực 2 lần trong một chu kỳ máy (trong khoảng thời gian S1P2 đến S2P1 và từ S4P2 đến S5P1). Từ đó tần số xung tại chân ALE bằng 1/6 tần số thạch anh. Đối với các lệnh thực thi trong 1 chu kỳ: - Lệnh 1 byte: được thực thi tại thời điểm S1P2 sau khi mã lệnh được chốt vào thanh ghi lệnh tại S1P1. - Lệnh 2 byte: byte thứ 2 được đọc tại thời điểm S4 và sẽ được thực thi tại thời điểm S4.

Đối với các lệnh thực thi trong 2 chu kỳ: Quá trình lấy lệnh thực hiện tại thời điểm S1 của chu kỳ đầu tiên. Nếu lệnh có nhiều hơn 1 byte thì sẽ được lấy ở các thời điểm tiếp theo giống như các lệnh thực thi trong 1 chu kỳ. Chương II. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51 Trang 14 Hình 2.4 – Chu kỳ lệnh 3.

Tổ chức bộ nhớ Hình 2.5 - Các vùng nhớ trong AT89C51 Chương II.