Thiết Kế và Thi Công Robot SCARA 3 Bậc Tự Do Dùng Vi Xử Lý

Khám phá thiết kế robot SCARA 3 bậc tự do sử dụng vi điều khiển. Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo và ứng dụng của robot SCARA trong công nghiệp.

• Tác giả: Lại Đức Hải
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Đức Thành
• Trường học: Đại Học Tôn Đức Thắng
• Chuyên ngành: Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Robot Scara 3 Bậc Tự Do Quay Dùng Vi Xử Lý
• Loại tài liệu: Luận Văn Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Tp. Hcm

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. TẦM QUAN TRỌNG CỦA VẤN ĐỀ
• 1.3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT LUẬN VĂN
• 2.1. KHẢO SÁT BỘ VI ĐIỀU KHIỂN 8051
• 2.1.1. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ HỌ IC MCS-51™
• 2.1.2. GIỚI THIỆU AT89C51
• 2.1.2.1. NHỮNG ĐẶT TRƯNG CỦA AT89C51
• 2.1.2.2. TỔ CHỨC BỘ NHỚ
• 2.1.2.2.1. RAM ĐỊA CHỈ HÓA TỪNG BIT
• 2.1.2.2.2. CÁC BANK THANH GHI
• 2.1.2.3. CÁC THANH GHI CHỨC NĂNG ĐẶT BIỆT
• 2.1.2.4. HOẠT ĐỘNG CỦA PORT NỐI TIẾP
• 2.1.2.5. TỐC ĐỘ BAUD POTT NỐI TIẾP
• 2.2. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
• 2.2.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ DC
• 2.2.2. CÔNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ
• 2.2.3. ĐẶC TÍNH CƠ TĨNH CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
• 2.2.4. SƠ LƯỢC CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
• 2.2.4.1. Điều khiển điện áp phần ứng
• 2.2.4.2. Điều khiển từ thông
• 2.2.4.3. Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ
• 2.2.4.4. Điều khiển điện trở phần ứng
• 2.2.5. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
• 2.2.6. CÁC TRẠNG THÁI HÃM
• 2.3. GIỚI THIỆU VỀ ENCODER
• 2.4. CÁC LINH KIỆN DÙNG TRONG MẠCH CÔNG SUẤT
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT
• 3.1. Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Vi Điều Khiển
• 3.2. Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Công Suất Điều Khiển Động Cơ
• 4. CHƯƠNG 4: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Chương Trình Chính
• 4.2. Chương Trình Con Kiểm Tra Công Tắc Hành Trình
• 4.3. Chương Trình Con Hoc Việc Cho Vị Trí 1
• 4.4. Chương Trình Con Hoc Việc Cho Vị Trí 2
• 4.5. Chương Trình Điều Khiển Quá Trình Hoạt Động Của Robot

Tóm tắt

I. Tổng Quan Thiết Kế Robot SCARA 3 Bậc Tự Do Với Vi Điều Khiển

Robot SCARA 3 bậc tự do, hay SCARA 3DOF, là một loại robot công nghiệp phổ biến nhờ tính linh hoạt và hiệu quả trong các ứng dụng gắp và đặt. Bài viết này sẽ đi sâu vào quá trình thiết kế robot SCARA sử dụng vi điều khiển, tập trung vào các khía cạnh quan trọng từ cấu trúc cơ khí đến phần mềm điều khiển. Thiết kế robot SCARA DIY trở nên khả thi hơn bao giờ hết nhờ sự phát triển của công nghệ in 3D và các nền tảng robot SCARA Arduino và robot SCARA Raspberry Pi. Việc hiểu rõ về cấu trúc robot SCARA 3DOF, động học robot SCARA và động lực học robot SCARA là yếu tố then chốt để xây dựng một hệ thống hoạt động hiệu quả. Các phương pháp điều khiển như PID control robot SCARA, giải thuật Inverse Kinematics SCARA, và Forward Kinematics SCARA cũng sẽ được thảo luận chi tiết. Ứng dụng thực tế của robot SCARA 3 bậc tự do rất đa dạng, từ dây chuyền lắp ráp điện tử đến các hệ thống tự động hóa trong kho bãi. Việc lựa chọn vi điều khiển robot phù hợp, như Arduino hoặc Raspberry Pi, ảnh hưởng lớn đến hiệu năng và khả năng mở rộng của hệ thống. Nghiên cứu này dựa trên các kiến thức về lý thuyết điều khiển, cơ điện tử và lập trình, nhằm cung cấp một hướng dẫn toàn diện cho những ai quan tâm đến việc thiết kế và xây dựng robot SCARA. Theo tài liệu gốc, "Tay máy công nghiệp là một lĩnh vực mới mà ở Việt Nam đang nghiên cứu và từng bước chế tạo để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp phần nâng cao năng xuất lao động".

1.1. Cấu Trúc Cơ Khí và Các Bậc Tự Do của Robot SCARA

Robot SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) nổi bật với cấu trúc hình học độc đáo, gồm hai khớp quay song song cho phép chuyển động linh hoạt trên mặt phẳng ngang và một khớp trượt thẳng đứng cho phép định vị chính xác trong không gian ba chiều. Cấu trúc này cho phép robot thực hiện các thao tác gắp, đặt và lắp ráp một cách hiệu quả. Số lượng bậc tự do (Degrees of Freedom - DOF) quyết định khả năng di chuyển của robot. Robot SCARA 3 bậc tự do thường được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản hơn, trong khi các phiên bản 4 hoặc 6 bậc tự do có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp hơn. Việc thiết kế cấu trúc cơ khí đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về vật liệu, độ cứng vững và khả năng chịu tải. Các khớp quay thường được trang bị động cơ bước hoặc servo motor để đảm bảo độ chính xác và khả năng điều khiển. Sự lựa chọn động cơ và hệ thống truyền động ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ, gia tốc và khả năng lặp lại của robot. Theo luận văn, "Điều quan trọng hơn hết là các vấn đề liên quan đến cấu tạo, nguyên lý hoạt động của tay máy và phần lý thuyết về các hoạt động xảy ra bên trong vi xử lí sẽ được giới thiệu trong đề tài này. Nó sẽ là nguồn thông tin hửu ích cho những ai muốn tìm hiểu về lĩnh vực này."

1.2. Ưu Điểm và Ứng Dụng Phổ Biến Của Robot SCARA 3DOF

Robot SCARA 3DOF có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại robot khác, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ và độ chính xác cao trên mặt phẳng. Khả năng hoạt động trong không gian hẹp, chi phí đầu tư thấp và dễ dàng bảo trì là những yếu tố khiến robot SCARA trở nên phổ biến trong các ngành công nghiệp khác nhau. Các ứng dụng phổ biến bao gồm lắp ráp điện tử, đóng gói sản phẩm, kiểm tra chất lượng và xử lý vật liệu. Trong dây chuyền sản xuất điện tử, robot SCARA được sử dụng để gắp và đặt các linh kiện nhỏ với độ chính xác cao. Trong ngành công nghiệp thực phẩm, robot SCARA có thể thực hiện các thao tác đóng gói và phân loại sản phẩm một cách nhanh chóng và hiệu quả. Sự linh hoạt và khả năng tùy biến của robot SCARA cho phép nó được tích hợp vào nhiều hệ thống tự động hóa khác nhau.

II. Thách Thức Điều Khiển Robot SCARA 3 Bậc Tự Do Bằng Vi Điều Khiển

Việc điều khiển robot SCARA 3 bậc tự do bằng vi điều khiển đặt ra nhiều thách thức về mặt phần cứng và phần mềm. Việc tính toán động học ngược (Inverse Kinematics) để xác định góc quay của các khớp dựa trên vị trí mong muốn của công cụ cuối (end-effector) đòi hỏi thuật toán phức tạp và khả năng xử lý nhanh chóng của vi điều khiển. Việc điều khiển động cơ một cách chính xác và đồng bộ để đạt được chuyển động mượt mà và ổn định cũng là một vấn đề quan trọng. Ngoài ra, việc tích hợp các cảm biến và hệ thống phản hồi (feedback) để giám sát và điều chỉnh vị trí của robot cũng là một thách thức đáng kể. Việc lựa chọn phần mềm điều khiển robot SCARA phù hợp và viết mã chương trình hiệu quả là yếu tố then chốt để vượt qua những thách thức này. Sự hiểu biết sâu sắc về động học robot SCARA, động lực học robot SCARA và lý thuyết điều khiển là cần thiết để xây dựng một hệ thống điều khiển hoạt động tốt. Các yếu tố môi trường như độ rung và nhiễu điện cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống điều khiển.

2.1. Tính Toán Động Học Ngược Inverse Kinematics Cho SCARA

Bài toán động học ngược (IK) là một trong những thách thức lớn nhất trong việc điều khiển robot SCARA. Mục tiêu của bài toán IK là tìm ra các góc khớp (joint angles) cần thiết để đạt được một vị trí và hướng mong muốn của công cụ cuối. Đối với robot SCARA 3 bậc tự do, bài toán IK có thể có nhiều nghiệm hoặc không có nghiệm, tùy thuộc vào cấu hình của robot và vị trí mục tiêu. Các thuật toán IK thường sử dụng phương pháp giải tích hoặc phương pháp lặp để tìm ra nghiệm. Phương pháp giải tích cho phép tính toán nghiệm một cách nhanh chóng, nhưng chỉ áp dụng được cho các cấu hình robot đơn giản. Phương pháp lặp có thể tìm ra nghiệm cho các cấu hình robot phức tạp hơn, nhưng đòi hỏi nhiều thời gian tính toán hơn. Việc lựa chọn thuật toán IK phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về tốc độ và độ chính xác của ứng dụng.

2.2. Điều Khiển Động Cơ và Hệ Thống Phản Hồi trong Robot SCARA

Việc điều khiển động cơ trong robot SCARA đòi hỏi sự chính xác và đồng bộ cao để đảm bảo chuyển động mượt mà và ổn định. Động cơ bước và servo motor là hai loại động cơ phổ biến được sử dụng trong robot SCARA. Động cơ bước có ưu điểm là độ chính xác cao và khả năng giữ vị trí tốt, nhưng tốc độ bị giới hạn. Servo motor có ưu điểm là tốc độ cao và khả năng điều khiển linh hoạt, nhưng đòi hỏi hệ thống phản hồi để đảm bảo độ chính xác. Hệ thống phản hồi thường sử dụng encoder để đo vị trí và tốc độ của động cơ. Thông tin từ encoder được sử dụng để điều chỉnh tín hiệu điều khiển động cơ, giúp robot đạt được vị trí mong muốn một cách chính xác. Các thuật toán điều khiển như PID control robot SCARA thường được sử dụng để điều khiển động cơ và hệ thống phản hồi.

III. Giải Pháp Sử Dụng Vi Điều Khiển Arduino Cho Robot SCARA 3DOF

Arduino là một nền tảng vi điều khiển phổ biến, dễ sử dụng và có cộng đồng hỗ trợ lớn. Việc sử dụng Arduino để điều khiển robot SCARA 3 bậc tự do mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt là cho những người mới bắt đầu. Arduino cung cấp các thư viện và công cụ lập trình đơn giản, giúp người dùng dễ dàng viết mã chương trình điều khiển động cơ, đọc dữ liệu từ cảm biến và thực hiện các thuật toán tính toán động học. Robot SCARA Arduino có thể được xây dựng với chi phí thấp, sử dụng các linh kiện điện tử và cơ khí có sẵn trên thị trường. Ngoài ra, Arduino có khả năng mở rộng linh hoạt, cho phép người dùng tích hợp thêm các chức năng khác như điều khiển từ xa, kết nối internet và xử lý ảnh. Tuy nhiên, Arduino có giới hạn về tốc độ xử lý và bộ nhớ, nên có thể không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu hiệu năng cao. Việc lựa chọn Arduino phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của dự án.

3.1. Lựa Chọn Linh Kiện và Cảm Biến Cho Dự Án Robot SCARA Arduino

Việc lựa chọn linh kiện và cảm biến phù hợp là một bước quan trọng trong việc xây dựng robot SCARA Arduino. Động cơ bước hoặc servo motor được sử dụng để điều khiển các khớp quay của robot. Encoder được sử dụng để đo vị trí và tốc độ của động cơ. Cảm biến lực (force sensor) có thể được sử dụng để đo lực tác dụng lên công cụ cuối. Vi điều khiển Arduino UNO hoặc Arduino Mega có thể được sử dụng để điều khiển robot. Mạch điều khiển động cơ (motor driver) được sử dụng để cung cấp dòng điện cần thiết cho động cơ. Các linh kiện cơ khí như vòng bi, trục và khớp nối được sử dụng để xây dựng cấu trúc cơ khí của robot. Việc lựa chọn linh kiện và cảm biến phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác, tốc độ và khả năng chịu tải của robot.

3.2. Lập Trình Điều Khiển Động Cơ và Tính Toán Động Học Với Arduino

Lập trình điều khiển động cơ và tính toán động học là hai phần quan trọng trong việc viết mã chương trình cho robot SCARA Arduino. Arduino IDE cung cấp các thư viện và hàm để điều khiển động cơ bước và servo motor. Người dùng có thể sử dụng các hàm này để đặt tốc độ, vị trí và hướng quay của động cơ. Việc tính toán động học ngược có thể được thực hiện bằng cách viết các hàm riêng hoặc sử dụng các thư viện có sẵn trên mạng. Các hàm này sẽ nhận vị trí mục tiêu của công cụ cuối và trả về các góc khớp cần thiết để đạt được vị trí đó. Việc lập trình đòi hỏi kiến thức về C++ và các khái niệm cơ bản về điều khiển robot.

IV. Nghiên Cứu Ứng Dụng Robot SCARA 3 Bậc Tự Do Trong Lắp Ráp Điện Tử

Lắp ráp điện tử là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của robot SCARA 3 bậc tự do. Robot SCARA có thể được sử dụng để gắp và đặt các linh kiện điện tử nhỏ với độ chính xác cao, giúp tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất. Trong quá trình lắp ráp, robot SCARA có thể thực hiện các thao tác như đặt linh kiện lên bảng mạch in (PCB), hàn linh kiện và kiểm tra chất lượng. Việc sử dụng robot SCARA trong lắp ráp điện tử giúp giảm thiểu sai sót do con người gây ra và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tự động hóa quy trình lắp ráp điện tử bằng robot SCARA có thể tăng năng suất lên đến 50% và giảm chi phí sản xuất đáng kể. Ứng dụng robot SCARA 3 bậc tự do đang ngày càng trở nên phổ biến trong các nhà máy sản xuất điện tử hiện đại.

4.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Lắp Ráp Điện Tử Với Robot SCARA

Để tối ưu hóa quy trình lắp ráp điện tử với robot SCARA, cần xem xét các yếu tố như thiết kế bảng mạch in (PCB), lựa chọn linh kiện và lập trình điều khiển robot. Thiết kế PCB cần đảm bảo rằng các linh kiện được đặt ở vị trí thuận tiện cho robot gắp và đặt. Linh kiện cần được lựa chọn sao cho phù hợp với khả năng của robot và quy trình lắp ráp. Chương trình điều khiển robot cần được tối ưu hóa để giảm thời gian di chuyển và tăng độ chính xác. Việc sử dụng các thuật toán tìm đường (motion planning for SCARA robot) có thể giúp robot di chuyển giữa các vị trí một cách nhanh chóng và hiệu quả.

4.2. Đánh Giá Hiệu Quả và Lợi Ích Của Robot SCARA Trong Sản Xuất

Việc đánh giá hiệu quả và lợi ích của robot SCARA trong sản xuất là rất quan trọng để chứng minh giá trị của việc đầu tư vào tự động hóa. Các chỉ số như năng suất, chất lượng sản phẩm, chi phí sản xuất và thời gian hoàn vốn có thể được sử dụng để đánh giá hiệu quả của robot SCARA. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng robot SCARA có thể tăng năng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất và mang lại lợi nhuận đáng kể cho doanh nghiệp. Tuy nhiên, việc triển khai robot SCARA cũng đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu, chi phí bảo trì và chi phí đào tạo nhân viên. Do đó, cần thực hiện phân tích chi phí - lợi ích kỹ lưỡng trước khi quyết định đầu tư vào robot SCARA.

V. Kết Luận Tương Lai Của Thiết Kế Robot SCARA Với Vi Điều Khiển

Thiết kế robot SCARA với vi điều khiển đang ngày càng trở nên phổ biến nhờ sự phát triển của công nghệ và sự dễ dàng tiếp cận các linh kiện điện tử. Sự kết hợp giữa robot SCARA DIY, Arduino, Raspberry Pi và công nghệ in 3D mở ra nhiều cơ hội cho những người đam mê robot học và tự động hóa. Trong tương lai, robot SCARA sẽ ngày càng trở nên thông minh hơn, linh hoạt hơn và dễ dàng tích hợp vào các hệ thống sản xuất thông minh. Các thuật toán điều khiển tiên tiến, trí tuệ nhân tạo và học máy sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và khả năng thích ứng của robot SCARA. Ứng dụng robot SCARA 3 bậc tự do sẽ tiếp tục mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất công nghiệp đến dịch vụ và y tế. Theo tài liệu gốc, "Ứng dụng vi xử lí rất rộng rải từ máy móc quan trọng trong nền công nghiệp đến các thiết bị chuyên dùng."

5.1. Xu Hướng Phát Triển Của Robot SCARA Trong Kỷ Nguyên 4.0

Trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0, robot SCARA sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các nhà máy thông minh và hệ thống sản xuất linh hoạt. Robot SCARA sẽ được tích hợp với các công nghệ như internet vạn vật (IoT), điện toán đám mây và trí tuệ nhân tạo (AI) để tạo ra các hệ thống tự động hóa thông minh và kết nối. Robot SCARA sẽ có khả năng tự học, tự điều chỉnh và tự ra quyết định, giúp tăng năng suất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm. Các robot SCARA simulation sẽ trở nên phổ biến hơn, cho phép người dùng thiết kế, mô phỏng và tối ưu hóa các quy trình sản xuất trước khi triển khai thực tế.

5.2. Nghiên Cứu Và Phát Triển Các Thuật Toán Điều Khiển Robot SCARA

Nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển robot SCARA là một lĩnh vực quan trọng để nâng cao hiệu suất và khả năng của robot. Các thuật toán điều khiển tiên tiến như điều khiển thích nghi (adaptive control), điều khiển học máy (machine learning control) và điều khiển dựa trên mô hình (model-based control) có thể giúp robot SCARA hoạt động ổn định và chính xác trong môi trường không chắc chắn. Các thuật toán Motion planning for SCARA robot và Trajectory planning SCARA robot cũng đang được nghiên cứu và phát triển để giúp robot di chuyển giữa các vị trí một cách nhanh chóng và hiệu quả. Việc phát triển các thuật toán điều khiển robot SCARA đòi hỏi kiến thức sâu sắc về toán học, vật lý và lập trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ: Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh góp phần nâng cao năng suất lao động. Đặt biệt sự ra đời và phát triển của công nghệ chế tạo Robot nhằm tạo ra sự tự động hóa trong quá trình sản xuất giảm đi sức lao động bằng chân tay của người lao động Đối với các nước ngoài thì Robot đã được nghiên cứu và chế tạo để ứng dụng vào sản suất đả có từ trước. Riêng ở nước ta lĩnh vực này còn khá mới mẽ. Tuy có sự đầu tư để nghiên cứu nhưng còn hạn chế ,có thể dùng mô hình cánh tay máy để phục vụ trực tiếp cho công việc giảng dạy tại trường nhằm giúp cho sinh viên hiểu rỏ hơn về lý thuyết, tạo điều kiện cho việc dạy và học được sinh động hơn.

Bức xúc trước nhu cầu tìm hiểu về tay máy công nghiệp từ chính bản thân và của những người yêu thích về lĩnh vực này, em đã bắt tay vào việc thực hiện nghiên cứu đề tài: “THIẾT KẾ VA THI CÔNG ROBOT SCARA BA BẬC TỰ DO QUAY DÙNG VI XỬ LÝ”. TẦM QUAN TRỌNG CỦA VẤN ĐE: Ở Việt Nam nói chung công nghệ chế tạo tay máy còn chậm phát triển, chúng ta vẩn chưa có nhà máy nào có khả năng chế tạo các bộ phận cấu thành của tay máy đạt tiêu chuẩn quốc tế. Tận dụng những vật liệu có sẳn để gia công các chi tiết cơ khí cũng như linh kiện , thiết bị điện có sẳn do nước ngòai sản suất để thiết kế thành những sản phẩm cụ thể trước hết là ứng dụng làm phương tiện giảng dạy trong trường học và từ đó phát triển cao hơn để ứng dụng vào trong sản suất đã và đang là hướng đi đúng đắng của các kỹ sư ở Việt Nam. Đề tài : “THIẾT KẾ VA THI CÔNG ROBOT SCARA BA BẬC TỰ DO QUAY DÙNG VI XỬ LÝ” không nằm ngoài nhận định trên.

Điều quan trọng hơn hết là các vấn đề liên quan đến cấu tạo, nguyên lý hoạt động của tay máy và phần lý thuyết về các hoạt động xảy ra bên trong vi xử lí sẽ được giới thiệu trong đề tài này. Nó sẽ là nguồn thông tin hửu ích cho những ai muốn tìm hiểu về lĩnh vực này. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Thực hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT SCARA BA BẬC TỰ DO QUAY DÙNG VI XỬ LÝ” là một công việc để người thực hiện đề tài nghiên cứu kỹ khái niệm mô hình, nguyên lý làm việc cũng như tập lệnh của vi xử lí. Sản phẩm của đề tài trước hết có thể được ứng dụng vào phương tiện giảng dạy tại trường; và nếu được phát triển rộng, đi sâu hơn thì có thể ứng dụng vào trong thực tế sản xuất công nghiệp,và đặc biệt cun g cấp một cái nhìn tổng quát về vi xử lí và tay máy công nghiệp.

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRANG 4 SVTH: LẠI ĐỨC HẢI GVHD: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT LUẬN VĂN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRANG 5 SVTH: LẠI ĐỨC HẢI GVHD: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH A. KHAÛO SAÙT BOÄ VI ÑIEÀU KHIEÅN 8051: I) GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ HỌ IC MCS-51™ MCS-51 là một họ IC vi điều khiển do Intel phát triển và sản xuất. Một số nhà sản xuất được phép cung cấp các IC tương thích với các sản phẩm MCS- 51 của Intel là Siemens, Advanced Micro Devices, Fujitsu, Philips, Atmel… Các IC của họ MCS-51 có các đặc trưng chung như sau:  4 port I/O 8 bit  Giao tiếp nối tiếp  64K không gian bộ nhớ chương trình mở rộng  64K không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng  Một bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bit đơn)  210 bit được địa chỉ hóa  Bộ nhân/chia 4 µs. Ngoài ra, tùy theo ốs hiệu sản xuất mà chúng có những khác biệt về bộ nhớ và bộ định thời/bộ đếm như trong bảng so sánh dưới đây: Số hiệu sản Bộ nhớ chương Bộ nhớ dữ liệu Số bộ định thời xuất trình trên chip trên chip (bộ đếm) 8031 0K 128 byte 2 8051 4K ROM 128 byte 2 8751 4K EPROM 128 byte 2 8951 4K FLASH 128 byte 2 8032 0K 256 byte 3 8052 8K ROM 256 byte 3 8752 8K EPROM 256 byte 3 8952 8K FLASH 256 byte 3 II)GIỚI THIỆU AT89C51 AT89C51 là một Microcomputer 8 bit, loại CMOS, có tốc độ cao và công suất thấp với bộ nhớ Flash có thể lập trình được.

Nó được sản xuất với công nghệ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRANG 6 SVTH: LẠI ĐỨC HẢI GVHD: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH bộ nhớ không bay hơi mật độ cao của hãng Atmel, và tương thích với chuẩn công nghiệp của 80C51 và 80C52 về chân ra và bộ lệnh. Vì lý do đó, kể từ đây về sau ta sẽ dùng thuật ngữ “80C51” (hoặc "8051") Sơ đồ khối của AT89C51 1) NHỮNG ĐẶT TRƯNG CỦA AT89C51. + Tương thích với các sản phẩm MCS-51 + 4KByte bộ nhớ Flash có thể lập trình lại với 1000 chu kỳ đọc/xoá + Hoạt động tĩnh đầy đủ: 0Hz đến 24MHz + Khoá bộ nhớ chương trình ba cấp LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRANG 7 SVTH: LẠI ĐỨC HẢI GVHD: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH + 128 x 8 bit RAM nội + 32 đường xuất-nhập lập trình được (tương ứng 4 port) + Hai timer/counter 16 bit + Một port nối tiếp song công lập trình được + Mạch đồng hồ và bộ dao động trên chip Cấu hình chân của AT89C51 như sau: Như vậy AT89C51 có tất cả 40 chân. Mỗi chân có chức năng như các đường I/O (xuất/nhập), trong đó 24 chân có công dụng kép: mỗi đường có thể hoạt động như một đường I/O hoặc như một đường điều khiển hoặc như thành phần của bus địa chỉ và bus dữ liệu.

Mô tả chân • VCC (chân 40) Chân cấp nguồn. • GND (chân 20) Chân nối đất. • Port 0 Port 0 là một port xuất/nhập song h ướng cực máng hở 8 bit. Nếu được sử dụng như là một ngõ xuất thì mỗi chân có thể kéo 8 ngõ vào TTL.

Khi mức 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRANG 8 SVTH: LẠI ĐỨC HẢI GVHD: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH được viết vào các chân của port 0, các chân này có thể được dùng như là các ngõ nhập tổng trở cao. Port 0 có thể được định cấu hình để hợp kênh g iữa bus địa chỉ và bus dữ liệu (phần byte thấp) khi truy cập đến bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình ngoài. Ở chế độ này, P0 có các điện trở pullup bên trong. Port 1 Port 1 là một port xuất/nhập song hướng 8 bit có các điện trở pullup bên trong.

Các bộ đệm ngõ ra của port 1 có thể kéo hoặc cung cấp 4 ngõ nhập TTL. Khi mức 1 được viết vào các chân của port 1, chúng được kéo lên cao bởi các điện trở pullup nội và có thể được dùng như là các ngõ nhập. Nếu đóng vai trò là các ngõ nhập, các chân của port 1 ( được kéo xuống thấp qua các điện trở bên ngoài) sẽ cấp dòng I IL do các điện trở pullup bên trong. • Port 2 Port 2 là một port xuất/nhập song hướng 8 bit có các điện trở pullup bên trong.Các bộ đệm ngõ ra của port 2 có thể kéo hoặc cung cấp 4 ngõ vào TTL.

Khi các mức 1 được viết vào các chân của port 2 thì chúng được kéo lên cao bởi các điện trở pullup nội và có thể được dùng như các ngõ vào. Khi được dùng như các ngõ vào, các chân của port 2 (được kéo xuống qua các điện trở bên ngoài) sẽ cấp dòng I IL do có các điện trở pullup bên trong. Port 2 phát ra byte cao của địa chỉ khi đọc từ bộ nhớ chương trình ngoài và khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài dùng các địa chỉ 16 bit (MOVX @DPTR). Trong ứng dụng này, nó dùng các điện trở pullup nội "mạnh" khi phát ra các mức 1.

Khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài dùng các địa chỉ 8 bit (MOVX @RI), port 2 phát ra các nội dung của thanh ghi chức năng đặc biệt P2. Port 2 cũng nhận các bit cao của địa chỉ và một vài tín hiệu điều khiển khi lập trình và kiểm tra Flash. • Port 3 Port 3 là m ột port xuất-nhập song hướng 8 bit có điện trở pullup nội bên trong. Các bộ đệm ngõ ra của port 3 có thể kéo hoặc cung cấp 4 ngõ vào TTL.

Khi các mức 1 được viết vào các chân của port 3 thì chúng được kéo lên cao bởi LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRANG 9 SVTH: LẠI ĐỨC HẢI GVHD: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH các điện trở pullup nội và có thể được dùng như các ngõ vào. Khi được dùng như các ngõ vào, các chân của port 3 (được kéo xuống qua các điện trở bên ngoài) sẽ cấp dòng I IL do có các điện trở pullup bên trong. Port 3 cũng cung cấp các chức năng của các đặc trưng đặc biệt như được liệt kê dưới đây: Chân Tên Các chức năng chuyển đổi P3.0 RXD Port nhập nối tiếp P3.1 TXD Port xuất nối tiếp P3.2 INT0 Ngắt 0 bên ngoài P3.3 INT1 Ngắt 1 bên ngoài P3.4 T0 Ngõ vào Timer/Counter 0 P3.5 T1 Ngõ vào Timer/Counter 1 P3.6 WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài RD Các chức năng chuyển đổi trên Port 3 • RST (chân 9) Ngõ vào reset. Một mức cao trên chân này khoảng hai chu kỳ máy trong khi bộ dao động đang chạy sẽ reset thiết bị.

• ALE/ PROG ALE là một xung ngõ ra để chốt byte thấp của địa chỉ trong khi truy cập bộ nhớ ngoài. Chân này cũng là ngõ nhập xung lập trình ( PROG ) khi lập trình Flash. Khi hoạt động bình thường, ALE được phát với một tỷ lệ không đổi là 1/6 tần số bộ dao động và có thể được dùng cho các mụch đích timing và clocking bên ngoài. Tuy nhiên, lưu ý rằng một xung ALE sẽ bị bỏ qua mỗi khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài.

Nếu muốn, hoạt động ALE có thể cấm được bằng cách set bit 0 của SFR tại địa chỉ 8Eh. Nếu bit này được set, ALE chỉ dược hoạt động khi có một lệnh MOVX hoặc MO VC. Ngược lại, chân này được kéo lên cao bởi các điện trở LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRANG 10 SVTH: LẠI ĐỨC HẢI GVHD: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH pullup "nhẹ". Việc set bit cấm-ALE không có tác dụng khi bộ vi điều khiển đang ở chế độ thi hành ngoài.

• PSEN PSEN (Program Store Enable) là xungọc đ bộ nhớ chương trình ngoài. Khi AT89C51 đang thi hành mã (code)ừ tbộ nhớ chương trình ngoài, PSEN được kích hoạt hai lần mỗi chu kỳ máy, nhưng hai hoạt động PSEN sẽ bị bỏ qua mỗi khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài.