CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN Vi điều khiển là một loại chip tích hợp, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và quản lý hoạt động của các thiết bị điện tử, từ các máy móc công nghiệp, thiết bị gia dụng, đến các thiết bị y tế và ô tô, Chúng giúp các thiết bị có khả năng điều khiển, thu thập dữ liệu và thực hiện các tác vụ tự động. Nhờ vi điều khiển, các thiết bị thông minh có thể hoạt động hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và đáp ứng nhanh chóng các nhu cầu của người dùng. Vi điều khiển tích hợp nhiều thành phần như CPU, bộ nhớ RAM, ROM, các module giao tiếp (UART, I2C, SPI, v.), và cả các bộ điều khiển ngắt.
Điều này giúp tiết kiệm không gian, giảm chi phí và điện năng tiêu thụ, làm cho chúng trở thành lựa chọn tối ưu trong các thiết bị nhỏ gọn, di động. Các dòng vi điều khiển thường có giá thành rẻ, làm giảm tổng chi phí sản xuất thiết bị. Điều này rất quan trọng trong sản xuất hàng loạt các thiết bị tiêu dùng như đồng hồ thông minh, điện thoại, hay các thiết bị điều khiển gia dụng và trong công nghiệp. Mặt khác vi điều khiển thường được lập trình bằng các ngôn ngữ dễ tiếp cận như Assembler hoặc C, cho phép tùy biến và tích hợp dễ dàng vào nhiều hệ thống.
Chúng cũng hỗ trợ các giao thức giao tiếp đa dạng, từ đó có thể điều khiển hoặc thu thập dữ liệu từ các cảm biến và thiết bị ngoại vi [4]. Các dòng vi điều khiển Vi điều khiển là một mạch tích hợp chứa tất cả các thành phần cần thiết để điều khiển các hệ thống điện tử hoặc cơ khí nhỏ. Nó tích hợp CPU (Bộ xử lý trung tâm), RAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên), ROM (Bộ nhớ chỉ đọc), các cổng I/O (cổng vào/ra), hệ thống ngắt, bộ đếm thời gian/bộ định thời, và nhiều chức năng khác trên một miếng silicon nhỏ. Vi điều khiển 8051: là một trong những dòng vi điều khiển phổ biến nhất, được phát triển bởi Intel vào năm 1980.
Đây là một loại vi điều khiển 8-bit, có nghĩa là nó xử lý dữ liệu 8-bit mỗi lần và phù hợp với các ứng dụng nhúng đơn giản. Các đặc điểm chính của dòng 8051 bao gồm: - Kiến trúc: 8051 có bộ xử lý trung tâm (CPU), 128 byte RAM, 4 KB ROM, 2 bộ đếm thời gian, 32 cổng I/O (chia thành 4 cổng 8-bit), và một số thiết bị ngoại vi cơ bản khác. Nó có thể điều khiển nhiều thiết bị ngoại vi nhờ số lượng lớn cổng I/O. - Bộ nhớ: Có không gian địa chỉ cho ROM (cho chương trình) và RAM (cho dữ liệu).
8051 hỗ trợ thêm bộ nhớ ngoài nếu cần mở rộng. - Tốc độ: Hoạt động ở tần số từ 12 MHz đến 24 MHz, tùy thuộc vào phiên bản. - Ngôn ngữ lập trình: Dễ lập trình và phát triển với ngôn ngữ Assembly, C, và hỗ trợ nhiều công cụ phát triển. 5 - Ứng dụng: Thường được dùng trong các ứng dụng đơn giản như hệ thống điều khiển thiết bị, thiết bị gia dụng, điều khiển động cơ, thiết bị đo đạc, và một số ứng dụng công nghiệp nhỏ.
- Do tính ổn định, độ tin cậy và giá thành rẻ, 8051 đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho nhiều hệ thống nhúng từ khi ra đời cho đến ngày nay. Các phiên bản hiện đại của 8051 đã được phát triển bởi nhiều công ty khác như Atmel, NXP, và Silicon Labs, với khả năng hoạt động nhanh hơn và hiệu quả hơn. Vi điều khiển 8051 là một trong những nền tảng mạnh mẽ nhất cho những ứng dụng nhỏ, dễ lập trình và được sử dụng rộng rãi trong giáo dục và công nghiệp [5]. Vi điều khiển AVR: Dòng vi điều khiển AVR được phát triển bởi Atmel (hiện thuộc Microchip Technology) vào giữa những năm 1990.
Đây là một dòng vi điều khiển 8-bit, nổi bật với kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computing), giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng. Dưới đây là một số đặc điểm nổi bật của dòng AVR: - Kiến trúc: AVR sử dụng kiến trúc RISC với 32 thanh ghi 8-bit, giúp tăng tốc độ xử lý và hiệu suất lập trình.Có khả năng chạy với tần số cao, thường lên đến 20 MHz. - Bộ nhớ: Hỗ trợ bộ nhớ Flash cho chương trình và bộ nhớ RAM cho dữ liệu, có thể lập trình lại. Dung lượng Flash và RAM đa dạng tùy theo từng dòng sản phNm, từ vài KB đến hàng trăm KB.
- Tính năng: Tích hợp nhiều chức năng như bộ chuyển đổi A/D (Analog-to- Digital), bộ định thời, và các giao thức giao tiếp như SPI, I2C, và UART. Hỗ trợ lập trình trực tiếp thông qua các ngõ giao tiếp, cho phép dễ dàng cập nhật và thay đổi chương trình. - Ứng dụng: AVR được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị nhúng, từ đồ chơi điện tử, hệ thống điều khiển, đến các thiết bị IoT và cảm biến. Vi điều khiển AVR với nhiều công cụ và thư viện hỗ trợ lập trình, bao gồm AVR Studio và Arduino IDE, giúp lập trình viên dễ dàng làm việc với các vi điều khiển này trong các ứng dụng điều khiển thiết bị vừa và nhỏ [6].
Vi điều khiển dòng PIC (Peripheral Interface Controller) được phát triển bởi Microchip Technology và là một trong những dòng vi điều khiển phổ biến trên thị trường. nó bao gồm các đặc điểm sau: - Kiến trúc: PIC có nhiều phiên bản với kiến trúc 8-bit, 16-bit, và 32-bit, cung cấp sự linh hoạt cho các ứng dụng khác nhau. Kiến trúc RISC, giúp giảm số lượng lệnh và tăng tốc độ thực thi. - Bộ nhớ: Các vi điều khiển PIC thường có bộ nhớ Flash cho chương trình, RAM cho dữ liệu và EEPROM cho lưu trữ không bay hơi.
Dung lượng bộ nhớ thay đổi từ vài KB đến hàng trăm KB tùy thuộc vào loại vi điều khiển. 6 - Tính năng: Tích hợp nhiều tính năng như bộ chuyển đổi A/D, bộ định thời, và các giao thức giao tiếp (UART, SPI, I2C). Hỗ trợ các tính năng ngoại vi đa dạng như ngắt và điều khiển động cơ, giúp ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. - Ứng dụng: Thích hợp cho các ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm tự động hóa công nghiệp, điều khiển thiết bị gia dụng, và các hệ thống nhúng khác.Được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện Đối với vi điều khiển PIC Microchip cung cấp nhiều công cụ phát triển và tài liệu hỗ trợ như MPLAB X IDE và MPLAB Code Configurator, giúp lập trình viên dễ dàng làm việc với các ứng dụng của vi điều khiển PIC [7].
Vi điều khiển AT89S52 AT89S52 là bộ vi điều khiển 8 bit họ Atmel được dùng phổ biến hiện nay. Trong phần này sẽ trình bày về sơ đồ chân, tính năng, thông số kỹ thuật và ứng dụng nổi bật của AT89S52 , những thông số này được soạn thảo tóm lược gọn lại từ tài liệu của nhà sản xuất cũng như một số giáo trình về vi điều khiển [8] [9] [10]. AT89S52 là vi điều khiển 8 bit được sản xuất bởi hãng Atmel. Vi điều khiển này có công suất thấp, hiệu suất cao, sử dụng công nghệ CMOS với dải tần hoạt động lên đến 33MHz.
Các sản phNm vi điều khiển AT89S52 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển trong mạch điện tử. Việc xử lý cấu trúc dữ liệu sẽ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội. Tập lệnh điều khiển cung cấp một bảng tiện dụng của những công thức số học có độ dài 8 bit gồm cả lệnh chia và lệnh nhân. Chíp AT89S52 thực tế 7 AT89S52 cũng cung cấp những hỗ trợ mở rộng trên chip dùng cho những biến một bit như là kiểu dữ liệu riêng biệt cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều khiển.
AT89S52 có các đặc tính chuNn như: 8KB bộ nhớ EEPROM chỉ đọc có thể xóa và lập trình nhanh, 32 đường I/O, 128 Byte RAM, 3 TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vector ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một cổng nối tiếp bán song công, 1 mạch để tạo xung Clock và bộ dao động ON-CHIP. Với nhiều đặc tính nổi bật, AT89S52 là dòng vi điều khiển được dùng khá phổ biến trong mạch điện tử hiện nay. Sơ đồ khối của vi điều khiển AT89S52 Hình 1. Sơ đồ khối của vi điều khiển AT89S52 8 Sơ đồ chân của vi điều khiển AT89S52 Hình 1.
Sơ đồ chân của vi điều khiển AT89S52 AT89S52 có cấu hình 40 chân được biểu thị như hình bên trên: Chân số 32 – 39 (Port 0): 8 chân Địa chỉ và Dữ liệu/GPIO Chân số 1 – 8 (Port 1): 8 chân GPIO Chân số 21 – 28 (Port 2): 8 chân GPIO Chân số 10-17 (Port 3): 8 chân GPIO Chân số 9 (RST): Chân Reset Chân số 18 (XTAL2): Chân đầu ra của bộ tạo dao động bên ngoài Chân số 19 (XTAL1): Chân đầu vào bộ tạo dao động bên ngoài Chân số 20 (GND: Chân nối đất Chân số 40 (VCC): Chân cấp nguồn Chân số 31 (EA / VPP): Chân cấp nguồn kích hoạt Flash/Kích hoạt truy xuất bên ngoài Chân số 30 (ALE/PROG): Chân lập trình flash/Chân chốt địa chỉ Chân số 29 (PSEN): Chân cho phép lưu chương trình Giải thích chức năng các Port của AT89S52 Tất cả các Port của AT89S52 có 8 chân đa chức năng để thực hiện nhiệm vụ: Chân Port 0: Các chân đầu vào và đầu ra có thể được cấu hình cho các chức năng khác bằng việc cấu hình các thanh ghi. Ở trạng thái mức thấp, chúng hoạt động như các chân đầu vào trở kháng cao hai chiều. Nhưng khi ở mức cao, chúng lại được dùng để làm chân đầu ra digital. Các chân của Port 0 cũng được dùng để cập nhật các byte thấp trong code đến bộ nhớ chương trình bên trong của vi điều khiển AT89S52 và cũng được dùng để xác 9 nhận khi cập nhật code.
Khi bạn dùng các chân này để lập trình thì cần phải kết nối các chân này với các điện trở kéo lên bên ngoài. Chân Port 1: Port 1 cũng sử dụng các chân dữ liệu 2 chiều 8 bit với các điện trở kéo lên ở bên trong. Một số chân GPIO này được dùng để giao tiếp lập trình hệ thống trong mạch và một số chân lại làm chức năng thay thế cho ba chân bộ định thời hoặc bộ đếm 16 bit. Chức năng cụ thể từng chân như sau: P1.7: SCK Chân Port 2: Tương tự Port 1, Port 2 cũng dùng các chân dữ liệu 2 chiều 8 bit với các điện trở kéo lên bên trong.