Thiết Kế và Thi Công Hệ Thống Báo Giờ Sử Dụng Vi Điều Khiển 8951

Bài viết này trình bày chi tiết về quá trình thiết kế và thi công hệ thống báo giờ sử dụng vi điều khiển 8951. 91 trang.

• Đề tài: Thiết Kế và Thi Công Hệ Thống Báo Giờ Sử Dụng Vi Điều Khiển 8951

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Nguyên lý chung của hệ thống báo giờ tự động
• 1.3. Giới thiệu các dạng mạch đã có trước
• 1.4. Đề tài Thiết kế và thi công mạch báo tiết học cho Trường ĐHNPRT
• 1.5. Ưu nhược điểm của hệ thống báo giờ dùng EPROM và mạch báo giờ sử dụng vi điều khiển 8951
• 1.6. Thiết kế phần cứng
• 1.6.1. Giới thiệu họ vi điều khiển 8951
• 1.6.2. Sơ đồ khối mạch điện hệ thống
• 1.6.3. Tính toán và thiết kế các khối
• 1.7. Thiết kế phần mềm
• 1.7.1. Mô tả chương trình phần mềm
• 1.7.2. Chương trình
• 1.8. Thi công
• 2. PHẦN II: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 2.1. Kết luận và hướng phát triển của đề tài
• 2.2. Kiến nghị
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan dự án thiết kế và thi công hệ thống báo giờ

Bài viết này trình bày chi tiết về quá trình thiết kế và thi công hệ thống báo giờ sử dụng vi điều khiển 8951. Đây là một đề tài phổ biến trong các đồ án vi điều khiển 8051, mang lại giá trị thực tiễn cao. Hệ thống được xây dựng nhằm tạo ra một thiết bị có khả năng hiển thị thời gian thực và phát tín hiệu âm thanh tại các thời điểm được lập trình sẵn. Trọng tâm của dự án là ứng dụng họ vi điều khiển MCS-51, cụ thể là IC AT89C51, để thay thế các phương pháp truyền thống thiếu linh hoạt. Mục tiêu chính là xây dựng một mạch đồng hồ điện tử chính xác, ổn định và dễ dàng tùy chỉnh. Nội dung sẽ đi sâu vào cơ sở lý thuyết, phân tích thiết kế phần cứng, xây dựng giải thuật phần mềm, và quy trình thi công thực tế. Toàn bộ quá trình từ lên ý tưởng đến hoàn thiện sản phẩm được ghi lại, cung cấp một tài liệu tham khảo giá trị cho các sinh viên và kỹ sư trong lĩnh vực hệ thống nhúng.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là thiết kế thành công một hệ thống báo giờ tự động với các chức năng chính: tạo và hiển thị thời gian thực (thứ, giờ, phút, giây), và điều khiển báo chuông tại các thời điểm định trước. Theo tài liệu gốc, hệ thống phải cho phép người dùng điều chỉnh thời gian một cách độc lập và đảm bảo hoạt động liên tục ngay cả khi mất điện lưới nhờ nguồn dự phòng. Ý nghĩa thực tiễn của dự án nằm ở việc ứng dụng kiến thức về kỹ thuật vi điều khiển vào giải quyết một bài toán cụ thể trong đời sống. Sản phẩm không chỉ là một báo cáo đồ án điện tử mà còn có thể được cải tiến để sử dụng trong trường học, nhà máy, hoặc các cơ sở công cộng, thay thế các hệ thống cơ điện phức tạp và kém ổn định. Việc làm chủ công nghệ với vi điều khiển 8951 mở ra nhiều hướng phát triển, góp phần tạo ra các sản phẩm thông minh và hiệu quả hơn.

1.2. Nguyên lý hoạt động chung của mạch đồng hồ điện tử

Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng và phần mềm. Trái tim của hệ thống là vi điều khiển AT89C51, có nhiệm vụ xử lý toàn bộ logic. Bộ định thời (Timer) bên trong vi điều khiển được sử dụng để tạo ra các xung nhịp thời gian chuẩn, ví dụ như 1 giây. Dựa trên các xung nhịp này, chương trình sẽ thực hiện việc đếm giây, phút, giờ và ngày. Thời gian được hiển thị ra bên ngoài thông qua các LED 7 đoạn. Khi thời gian đếm được trùng khớp với một thời điểm báo giờ đã được lập trình sẵn trong bộ nhớ, vi điều khiển sẽ xuất tín hiệu ra một cổng (port) để kích hoạt mạch điều khiển chuông, tạo ra âm thanh báo hiệu. Các nút nhấn ngoài cho phép người dùng tương tác với hệ thống để điều chỉnh thời gian hoặc cài đặt các mốc báo giờ mới. Toàn bộ logic này được mô tả qua lưu đồ giải thuật và hiện thực hóa bằng code đồng hồ nói 8051.

II. Phân tích hạn chế của các mạch báo giờ thế hệ cũ

Trước khi họ vi điều khiển MCS-51 trở nên phổ biến, các hệ thống báo giờ tự động thường được xây dựng dựa trên những công nghệ cũ hơn. Các phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế về tính năng, độ phức tạp và khả năng mở rộng. Tài liệu nghiên cứu gốc đã chỉ ra hai ví dụ điển hình là mạch báo giờ sử dụng EPROM và mạch dùng vi xử lý Z80. Việc phân tích những nhược điểm này cho thấy sự ưu việt của giải pháp sử dụng vi điều khiển 8951. Các hệ thống cũ thường đòi hỏi một số lượng lớn IC logic, kết nối phần cứng phức tạp và rất khó để thay đổi hay nâng cấp chức năng. Sự ra đời của vi điều khiển tích hợp sẵn bộ nhớ, bộ định thời và các cổng xuất nhập đã đơn giản hóa đáng kể quá trình thiết kế và thi công hệ thống báo giờ, làm cho mạch nhỏ gọn, tin cậy và linh hoạt hơn rất nhiều.

2.1. Hạn chế cố hữu của hệ thống báo giờ sử dụng EPROM

Hệ thống báo giờ dựa trên EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) gặp phải nhiều hạn chế nghiêm trọng. Nguyên lý chính là lưu trữ toàn bộ dữ liệu hiển thị và tín hiệu điều khiển trong một IC nhớ. Dữ liệu này là cố định và được nạp từ trước. Nhược điểm lớn nhất là tính không linh hoạt. Mọi thời điểm báo hiệu đều được "ghi cứng" vào EPROM, do đó người dùng không thể thay đổi hoặc thêm các mốc thời gian mới nếu không có thiết bị chuyên dụng để lập trình lại EPROM. Hơn nữa, việc điều chỉnh thời gian thực cũng rất phức tạp, thường chỉ cho phép chỉnh nhanh hoặc chậm chứ không thể chỉnh độc lập từng thành phần giờ, phút. Thiết kế phần cứng của loại mạch này cũng cồng kềnh vì phải kết hợp nhiều IC đếm, giải mã và logic rời rạc để tạo địa chỉ và xuất dữ liệu.

2.2. Sự phức tạp trong thi công với vi xử lý Z80

Một giải pháp khác là sử dụng vi xử lý Z80, một bộ vi xử lý mạnh mẽ vào thời điểm đó. Tuy nhiên, Z80 là một vi xử lý thuần túy, không có bộ nhớ nội (RAM, ROM) và các ngoại vi tích hợp sẵn như Timer hay cổng I/O. Do đó, khi thi công một hệ thống nhúng sử dụng Z80, các kỹ sư phải kết nối thêm rất nhiều IC phụ trợ bên ngoài như IC nhớ, IC giải mã địa chỉ, IC định thời, và IC giao tiếp song song. Điều này làm cho sơ đồ nguyên lý mạch báo giờ trở nên cực kỳ phức tạp, thiết kế mạch in PCB khó khăn và kích thước sản phẩm lớn. Quá trình gỡ lỗi phần cứng cũng tốn nhiều thời gian. Sự phức tạp này làm tăng chi phí sản xuất và giảm độ tin cậy của hệ thống so với giải pháp tích hợp tất cả trong một của vi điều khiển 8951.

III. Hướng dẫn thiết kế phần cứng cho hệ thống báo giờ 8951

Thiết kế phần cứng là giai đoạn nền tảng, quyết định sự ổn định và chính xác của toàn bộ hệ thống. Quá trình này bao gồm việc lựa chọn linh kiện phù hợp, xây dựng sơ đồ khối, vẽ sơ đồ nguyên lý mạch báo giờ chi tiết và cuối cùng là thiết kế mạch in PCB. Trọng tâm của phần cứng là vi điều khiển AT89S52 hoặc AT89C51, đóng vai trò là bộ não xử lý trung tâm. Các khối chức năng khác được thiết kế xung quanh vi điều khiển, bao gồm khối nguồn cung cấp năng lượng, khối hiển thị sử dụng LED 7 đoạn, khối điều khiển chuông báo và khối giao tiếp người dùng qua các nút nhấn. Việc lựa chọn linh kiện phải đảm bảo tính tương thích, độ bền và tối ưu chi phí. Một thiết kế phần cứng tốt sẽ giúp cho việc lập trình và gỡ lỗi phần mềm trở nên dễ dàng hơn.

3.1. Giới thiệu vi điều khiển AT89C51 và họ MCS 51

AT89C51 là một vi điều khiển 8-bit hiệu suất cao, tiêu thụ điện năng thấp thuộc họ vi điều khiển MCS-51 do Atmel sản xuất. Nó được lựa chọn cho dự án này nhờ các đặc điểm nổi bật: 4KB Flash ROM lập trình được, 128 byte RAM nội, 32 chân I/O, hai bộ định thời/bộ đếm 16-bit, và một cổng nối tiếp. Cấu trúc tích hợp này giúp giảm thiểu số lượng linh kiện ngoài, làm cho mạch điện đơn giản và nhỏ gọn. Việc nắm vững kiến trúc, sơ đồ chân và tập lệnh của 8951 là yêu cầu bắt buộc để có thể thiết kế và lập trình C cho 8051 một cách hiệu quả. Theo tài liệu, 8951 cung cấp đủ tài nguyên để quản lý thời gian, điều khiển hiển thị và xử lý các ngắt từ nút nhấn mà không cần đến bộ nhớ hay ngoại vi mở rộng.

3.2. Sơ đồ nguyên lý và lựa chọn các linh kiện điện tử

Sơ đồ nguyên lý là bản vẽ chi tiết thể hiện sự kết nối điện giữa các linh kiện. Sơ đồ được chia thành các khối chính: Khối vi điều khiển trung tâm (sử dụng AT89C51). Khối hiển thị (sử dụng 8 LED 7 đoạn loại Anode chung, kết nối với các port của vi điều khiển thông qua transistor hoặc IC đệm như ULN2803 để tăng dòng). Khối điều khiển chuông (sử dụng một transistor để đóng ngắt rơ-le hoặc trực tiếp điều khiển còi báo). Khối nguồn (sử dụng IC ổn áp 7805 để tạo nguồn 5V ổn định và có thêm mạch sạc ắc quy dự phòng). Khối điều chỉnh (gồm các nút nhấn để cài đặt giờ, phút, giây, kết nối với các chân ngắt ngoài của VĐK). Việc lựa chọn linh kiện phổ biến đảm bảo dễ dàng tìm mua và thay thế khi cần thiết.

3.3. Quy trình thiết kế mạch in PCB cho đồ án vi điều khiển

Sau khi hoàn thiện sơ đồ nguyên lý, bước tiếp theo là thiết kế mạch in PCB (Printed Circuit Board). Quy trình này được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng như Eagle, Altium Designer, hoặc Proteus. Đầu tiên, tất cả linh kiện từ sơ đồ nguyên lý được chuyển sang môi trường layout. Kỹ sư tiến hành sắp xếp (placement) các linh kiện một cách khoa học: đặt vi điều khiển ở trung tâm, các khối chức năng gom lại gần nhau, và các cổng kết nối ra ngoài đặt ở vị trí thuận tiện. Tiếp theo là quá trình đi dây (routing), kết nối các chân linh kiện theo đúng sơ đồ nguyên lý. Cần chú ý đến độ rộng của đường mạch, đặc biệt là các đường nguồn và tín hiệu clock, để đảm bảo mạch hoạt động ổn định và chống nhiễu tốt. Cuối cùng, mạch in được xuất ra file Gerber để gửi đi gia công hoặc tự làm thủ công bằng phương pháp ủi.

IV. Bí quyết lập trình phần mềm cho hệ thống báo giờ 8051

Phần mềm là linh hồn của hệ thống báo giờ, quyết định mọi hoạt động và tính năng của thiết bị. Việc lập trình cho vi điều khiển 8051 đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cấu trúc phần cứng và tập lệnh. Quá trình phát triển phần mềm bao gồm các bước: phân tích yêu cầu, xây dựng lưu đồ giải thuật, viết mã lệnh, biên dịch, và nạp chương trình. Ngôn ngữ lập trình có thể là Assembly cho hiệu suất tối ưu hoặc lập trình C cho 8051 để phát triển nhanh và dễ bảo trì hơn. Công cụ phổ biến được sử dụng là phần mềm Keil C, cung cấp một môi trường phát triển tích hợp (IDE) mạnh mẽ. Trước khi nạp lên mạch thật, chương trình thường được kiểm tra và gỡ lỗi bằng các công cụ mô phỏng Proteus, giúp tiết kiệm thời gian và phát hiện lỗi sớm.

4.1. Xây dựng lưu đồ giải thuật chi tiết cho chương trình

Lưu đồ giải thuật (flowchart) là một công cụ trực quan để mô tả logic của chương trình trước khi viết code. Đối với hệ thống báo giờ, lưu đồ được chia thành các chương trình con (subroutine). Chương trình chính (main loop) có nhiệm vụ khởi tạo hệ thống, sau đó lặp vô hạn để quét hiển thị LED 7 đoạn và kiểm tra điều kiện báo chuông. Một chương trình con xử lý ngắt Timer (Timer Interrupt Service Routine) sẽ được thực thi định kỳ (ví dụ mỗi 50ms) để cập nhật biến đếm thời gian, đảm bảo thời gian chạy chính xác. Các chương trình con xử lý ngắt ngoài (External Interrupt) được kích hoạt khi người dùng nhấn nút, thực hiện các chức năng như tăng/giảm giờ, phút. Việc xây dựng lưu đồ rõ ràng giúp cấu trúc code mạch lạc, dễ hiểu và dễ gỡ lỗi.

4.2. Viết code đồng hồ nói 8051 với phần mềm Keil C

Phần mềm Keil C là trình biên dịch và môi trường phát triển hàng đầu cho họ vi điều khiển MCS-51. Sử dụng ngôn ngữ C giúp việc phát triển phần mềm nhanh hơn so với Assembly, đặc biệt với các thuật toán phức tạp. Cấu trúc chương trình thường bao gồm: khai báo các biến toàn cục cho giây, phút, giờ; định nghĩa các chân I/O; viết hàm khởi tạo (cấu hình Timer, cho phép ngắt); viết các hàm xử lý ngắt; và vòng lặp chính. Đoạn code đồng hồ nói 8051 sẽ liên tục gọi hàm hiển thị để cập nhật giá trị lên LED 7 đoạn. Khi biến thời gian khớp với giá trị đặt trước, một chân I/O sẽ được bật/tắt để điều khiển chuông. Keil C cũng cung cấp trình gỡ lỗi mạnh mẽ, cho phép mô phỏng hoạt động của code ngay trên máy tính.

4.3. Mô phỏng Proteus và nạp chương trình lên mạch thật

Trước khi thi công mạch thật, việc mô phỏng Proteus là một bước cực kỳ quan trọng. Proteus cho phép vẽ lại toàn bộ sơ đồ nguyên lý trên máy tính và chạy thử chương trình đã được biên dịch (file .HEX từ Keil C). Kỹ sư có thể quan sát hoạt động của LED 7 đoạn, kiểm tra phản ứng của mạch với các nút nhấn, và đo các tín hiệu quan trọng mà không cần đến linh kiện vật lý. Bước này giúp phát hiện sớm các lỗi sai trong thiết kế phần cứng hoặc logic phần mềm. Sau khi mô phỏng thành công, file .HEX sẽ được nạp vào vi điều khiển AT89C51 trên mạch thật thông qua một mạch nạp (programmer) chuyên dụng. Quá trình kiểm tra và hiệu chỉnh cuối cùng sẽ được thực hiện trên sản phẩm vật lý.

V. Đánh giá kết quả và ứng dụng của hệ thống báo giờ

Sau quá trình thiết kế và thi công, hệ thống báo giờ đã hoàn thiện và đạt được các mục tiêu đề ra. Sản phẩm cuối cùng là một mạch đồng hồ điện tử hoạt động ổn định, hiển thị thời gian chính xác và báo chuông đúng theo lịch trình. Kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng vi điều khiển 8951 trong các ứng dụng điều khiển đơn giản. Thành công của dự án không chỉ nằm ở sản phẩm vật lý mà còn là kinh nghiệm quý báu trong việc phát triển một hệ thống nhúng hoàn chỉnh, từ khâu lên ý tưởng, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm đến thi công và kiểm thử. Hệ thống này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi và là nền tảng để phát triển các sản phẩm phức tạp hơn.

5.1. Kết quả thi công mạch báo giờ nói và sản phẩm thực tế

Sản phẩm thực tế là một bo mạch điện tử nhỏ gọn, được thi công cẩn thận dựa trên thiết kế mạch in PCB. Các linh kiện được hàn chắc chắn, hệ thống dây nối được tối ưu để giảm nhiễu. Khi cấp nguồn, hệ thống khởi động và hiển thị thời gian lên 8 LED 7 đoạn một cách rõ ràng. Các nút nhấn điều chỉnh hoạt động nhạy, cho phép người dùng dễ dàng cài đặt thời gian. Chức năng báo chuông được kiểm tra và hoạt động chính xác tại các thời điểm đã lập trình. Hệ thống cũng được thử nghiệm với nguồn dự phòng (ắc quy) và cho thấy khả năng duy trì thời gian khi mất điện lưới. Nếu tích hợp thêm IC ghi âm phát lại như ISD2560, hệ thống có thể trở thành mạch báo giờ nói, tăng thêm giá trị sử dụng.

5.2. Các ứng dụng tiềm năng trong hệ thống nhúng thực tế

Mô hình hệ thống báo giờ này có thể được xem như một module cơ bản và được mở rộng cho nhiều ứng dụng thực tế. Trong môi trường công nghiệp, nó có thể dùng để báo giờ vào ca, tan ca tại các nhà máy. Trong trường học, nó tự động báo giờ vào lớp, ra chơi và tan học. Một hướng phát triển khác là tích hợp thêm các cảm biến để tạo thành một trạm quan trắc môi trường, vừa hiển thị thời gian vừa hiển thị nhiệt độ, độ ẩm. Bằng cách thay thế chuông báo bằng các rơ-le công suất lớn, hệ thống có thể được dùng để bật/tắt tự động các thiết bị điện công suất lớn theo thời gian, như hệ thống chiếu sáng công cộng hoặc hệ thống tưới tiêu nông nghiệp. Đây là những ví dụ điển hình về ứng dụng của đồ án vi điều khiển 8051 trong thực tiễn.

VI. Kết luận và hướng phát triển cho đồ án vi điều khiển 8051

Dự án thiết kế và thi công hệ thống báo giờ sử dụng vi điều khiển 8951 đã hoàn thành thành công, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật và chức năng đã đề ra. Nó chứng tỏ rằng họ vi điều khiển MCS-51 vẫn là một lựa chọn mạnh mẽ và kinh tế cho các ứng dụng điều khiển không đòi hỏi tốc độ xử lý quá cao. Thông qua dự án, người thực hiện đã củng cố kiến thức nền tảng về vi điều khiển, thiết kế mạch và lập trình hệ thống nhúng. Tuy nhiên, công nghệ luôn phát triển và hệ thống luôn có thể được cải tiến. Việc xác định các hướng phát triển trong tương lai không chỉ giúp nâng cao giá trị của sản phẩm mà còn mở ra những cơ hội nghiên cứu mới, phù hợp với xu hướng công nghệ hiện đại.

6.1. Tổng kết ưu điểm và nhược điểm của dự án

Ưu điểm lớn nhất của hệ thống là sự đơn giản trong thiết kế phần cứng nhờ khả năng tích hợp cao của vi điều khiển 8951. Mạch điện nhỏ gọn, chi phí thấp và độ tin cậy cao. Phần mềm cho phép điều chỉnh thời gian linh hoạt, một cải tiến vượt trội so với các hệ thống dùng EPROM. Tuy nhiên, dự án cũng có một số nhược điểm. Việc sử dụng bộ định thời nội của vi điều khiển để đếm thời gian có thể dẫn đến sai số tích lũy theo thời gian. Tốc độ xử lý của 8951 cũng có giới hạn, có thể không phù hợp nếu cần mở rộng thêm nhiều tính năng phức tạp. Giao diện người dùng hiện tại vẫn còn đơn giản, chỉ dựa vào LED 7 đoạn và nút nhấn.

6.2. Hướng nghiên cứu và nâng cấp hệ thống trong tương lai

Để khắc phục nhược điểm và nâng cao tính năng, một số hướng phát triển có thể được xem xét. Để tăng độ chính xác về thời gian, có thể tích hợp thêm IC thời gian thực (Real-Time Clock - RTC) như DS1307 hoặc DS3231. Các IC này có pin dự phòng riêng và bộ tạo dao động thạch anh cực kỳ ổn định, giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn I2C. Để cải thiện giao diện, có thể thay thế LED 7 đoạn bằng màn hình LCD, cho phép hiển thị nhiều thông tin hơn. Hướng phát triển cao cấp hơn là kết nối hệ thống với mạng Internet (IoT), cho phép đồng bộ thời gian tự động qua mạng và điều khiển, giám sát từ xa qua ứng dụng di động hoặc trang web. Ngoài ra, việc tích hợp IC ghi âm phát lại ISD1820 để tạo ra các thông báo bằng giọng nói cũng là một nâng cấp đáng giá.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển từ cuối thập niên 1970 đã tạo ra bước chuyển biến lớn trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động. Năm 1976, hãng Intel giới thiệu vi điều khiển 8748 thuộc họ MCS-48 chứa hơn 17.000 transistor, tích hợp CPU, 1 KB EPROM, 64 byte RAM, 27 chân xuất/nhập và 1 bộ định thời 8-bit. Đến năm 1980, dòng chip 8051 thuộc họ vi điều khiển MCS-51 ra đời với mật độ tích hợp trên 60.000 transistor, trang bị 4 KB ROM, 128 byte RAM, 32 đường xuất/nhập cùng 2 bộ định thời 16-bit, trở thành chuẩn công nghiệp phổ biến cho các hệ thống nhúng điều khiển chuyên dụng.

Tại các cơ sở đào tạo và trường học, nhu cầu quản lý thời gian giảng dạy và báo tiết học chính xác là một đòi hỏi thực tiễn. Trước đây, nhiều hệ thống báo giờ đã được nghiên cứu và chế tạo nhưng bộc lộ nhiều hạn chế về mặt cấu trúc phần cứng và tính linh hoạt:

1. Đề tài "Thiết kế và thi công máy báo tiết cho Trường ĐHSPKT" (hướng dẫn bởi GV. Trần Minh Chánh, thực hiện bởi SV. Nguyễn Đình Mạnh Chiến và Bạch Ngọc Mai) sử dụng IC nhớ EPROM 2732. Dữ liệu từ 0 đến 23 giờ và tín hiệu điều khiển chuông được nạp trong EPROM, tạo chuỗi xung 1/60 Hz kích cho chuỗi mạch đếm BCD rời, sau đó giải mã hiển thị LED 7 đoạn. Tín hiệu chuông đầu tiết và cuối tiết dùng 2 bit (D4, D5) kích qua 2 mạch dao động đơn ổn để tạo độ trễ 7 giây và 3 giây.
2. Đề tài "Thiết kế và thi công mạch đồng hồ báo giờ" (hướng dẫn bởi GV. Nguyễn Phương Quang, thực hiện bởi SV. Võ Đức Trí và Đoàn Nam Sơn, Lớp 98KDD3/7) sử dụng EPROM 2764 với 11 đường địa chỉ (A2–A12) nhận xung đếm 1/60 Hz, giải mã quét hiển thị 32 đường đệm ra 4 LED giờ/phút và 1 đường báo chuông.
3. Các thiết kế dùng bộ vi xử lý Z80 đòi hỏi phải kết nối thêm nhiều IC bổ trợ do Z80 không tích hợp bộ nhớ nội.

Các hệ thống dùng EPROM rời hoặc vi xử lý Z80 có nhược điểm lớn: cấu trúc phần cứng cồng kềnh, tính toán ghép nối phức tạp; việc điều chỉnh thời gian chỉ có thể tăng/giảm tần số quét xung mà không thể chỉnh độc lập giữa giờ, phút, thứ; không chỉnh lùi được thời gian và các mốc báo giờ bị cố định cứng trong bộ nhớ ROM.

Đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống báo giờ sử dụng vi điều khiển 8951" được thực hiện bởi sinh viên Đoàn Quốc Sơn (MSSV: 98221461, Lớp 98N KĐĐ) dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Thanh Mai tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 03/2002) nhằm khắc phục các nhược điểm trên.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm:

1. Thiết lập hệ thống tạo thời gian thực chính xác gồm thứ, giờ, phút và giây.
2. Thiết kế khối hiển thị trực quan thông số thời gian thực (thứ, giờ, phút, giây) bằng 8 LED 7 đoạn.
3. Xây dựng giải thuật cho phép người sử dụng theo dõi và điều chỉnh độc lập từng thông số thời gian (thứ, giờ, phút) theo hướng tăng thông qua bàn phím điều khiển và ngắt ngoài.
4. Tự động phát tín hiệu điều khiển chuông điện báo hiệu tại các thời điểm định sẵn trong ngày (cụ thể thiết lập 3 mốc: 07 giờ 00 phút, 11 giờ 30 phút và 16 giờ 45 phút).
5. Thiết kế mạch nguồn cung cấp liên tục, tích hợp bộ sạc và ắc quy dự phòng tự động chuyển mạch khi mất điện lưới (khi mất điện, hệ thống vẫn duy trì bộ đếm thời gian nhưng ngắt chuông để tiết kiệm năng lượng).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng kỹ thuật vi điều khiển họ MCS-51, lý thuyết mạch điện tử tương tự, mạch số và phương pháp lập trình hợp ngữ có cấu trúc:

1. Kiến trúc vi điều khiển AT89C51 (họ MCS-51):

   • Vi điều khiển 8-bit tích hợp 4 KB Flash ROM nội, 128 byte RAM nội, 4 cổng xuất/nhập 8-bit (P0, P1, P2, P3), 2 bộ định thời/đếm 16-bit (Timer 0 và Timer 1), cổng truyền thông nối tiếp UART và 5 nguồn ngắt phân cấp 2 mức ưu tiên.
   • Không gian bộ nhớ RAM nội được phân chia rõ ràng: 32 byte thấp (00H–1FH) chia thành 4 dãy thanh ghi (Bank 0 đến Bank 3); 16 byte tiếp theo (20H–2FH) gồm 128 bit định vị trực tiếp; 80 byte RAM mục đích chung (30H–7FH) và vùng thanh ghi chức năng đặc biệt SFR (80H–FFH) chứa các thanh ghi điều khiển như PSW (Program Status Word tại D0H), TMOD (Timer Mode tại 89H), TCON (Timer Control tại 88H), IE (Interrupt Enable tại A8H), IP (Interrupt Priority tại B8H) và con trỏ ngăn xếp SP (81H).
   • Cơ chế tạo trễ và định thời gian thực sử dụng Timer 0 ở Chế độ 1 (Mode 1 - định thời 16-bit). Khi sử dụng bộ dao động thạch anh tần số 12 MHz kết hợp 2 tụ ổn định 30 pF, một chu kỳ máy của vi điều khiển tương đương $12 / 12\text{ MHz} = 1\ \mu\text{s}$. Cứ mỗi chu kỳ máy, giá trị trong cặp thanh ghi định thời (TH0, TL0) tăng lên một đơn vị cho đến khi xảy ra hiện tượng tràn từ FFFFH sang 0000H, kích hoạt cờ tràn TF0 và sinh ngắt định thời.
   • Hệ thống ngắt ngoài INT0 (chân P3.2, vector ngắt 0003H) và INT1 (chân P3.3, vector ngắt 0013H) được cấu hình để phục vụ các tác vụ chọn chế độ và điều chỉnh thời gian thực.

2. Phương pháp nghiên cứu và thiết kế:

   • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Nghiên cứu, đánh giá ưu nhược điểm của các thế hệ mạch báo giờ dùng EPROM (2732, 2764) và vi xử lý Z80 nhằm tối ưu hóa sơ đồ khối và lược bỏ các linh kiện rời không cần thiết.
   • Phương pháp tính toán mạch điện tử tương tự: Tính toán các tầng khuếch đại thuật toán dùng OPAMP μA741, phân áp diode Zener và tầng đệm transistor công suất A671 cho mạch sạc ắc quy tự động.
   • Phương pháp lập trình có cấu trúc bằng Hợp ngữ (Assembly MCS-51): Thiết kế chương trình điều khiển thành các chương trình con độc lập kết nối qua các lệnh gọi LCALL và lệnh trở về RET/RETI, sử dụng lưu đồ thuật toán (flowchart) và mã giả (pseudo-code) để mô tả logic đếm giờ, giải mã quét LED và xử lý ngắt.
   • Phương pháp thiết kế mạch in tự động (CAD): Ứng dụng phần mềm EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor) để vẽ sơ đồ nguyên lý (Schematic) và xuất bản vẽ mạch in hai lớp (Board layout).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh gồm phần cứng mạch điện tử và chương trình phần mềm điều khiển:

1. Thiết kế phần cứng

Hệ thống phần cứng phân rã thành 5 khối chức năng chính:

• Khối vi điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển 8951 chạy ở tần số thạch anh 12 MHz. Cổng P0 đóng vai trò điều khiển chọn vị trí LED quét (quét anode/cathode); cổng P2 xuất mã nhị phân hiển thị 7 đoạn; cổng P3 nhận tín hiệu ngắt điều khiển từ các nút bấm (INT0, INT1) và điều khiển rơle chuông.
• Khối nguồn và sạc ắc quy tự động:
  • Sử dụng IC khuếch đại thuật toán OPAMP μA741 (vỏ 8 chân). Điện áp tham chiếu 3V được tạo bởi diode Zener 3V kết hợp cầu phân áp gồm các điện trở $R_{11} = 4.7\text{ k}\Omega$, biến trở $R_{12} = \text{VR} = 5\text{ k}\Omega$, $R_{13} = 12\text{ k}\Omega$, $R_{14} = 3.3\text{ k}\Omega$.
  • Dòng nạp định mức cho ắc quy chọn $I_C = 300\text{ mA}$. Transistor công suất sạc A671 có hệ số khuếch đại $\beta = 70$, dòng cực gốc $I_B = I_C / \beta = 300 / 70 \approx 4.3\text{ mA}$. Điện trở hạn dòng sạc được tính toán và chọn $R_{15} = 10\ \Omega$ (công suất 1W).
  • Khi điện áp ắc quy sụt dưới 12V, điện áp tại ngõ vào không đảo (+) của OPAMP thấp hơn 3V, ngõ ra OPAMP xuống mức thấp (0V) làm transistor A671 dẫn bão hòa, kích nạp cho ắc quy với dòng 300 mA. Khi ắc quy nạp đầy (điện áp vượt mức 12V), điện áp ngõ vào (+) vượt 3V, ngõ ra OPAMP lên mức cao (14V) làm transistor ngắt hoàn toàn.
  • Mạch chuyển mạch tự động sử dụng diode D1 và IC ổn áp LM7805. Khi có điện lưới, nguồn 15V cấp cho hệ thống và phân cực nghịch D1. Khi mất điện lưới, D1 được phân cực thuận, tự động chuyển sang cấp nguồn từ ắc quy 12V nuôi mạch đồng hồ hoạt động liên tục.
• Khối hiển thị: Gồm 8 LED 7 đoạn được gán thứ tự hiển thị: LED 1 (đơn vị giây), LED 2 (chục giây), LED 3 (đơn vị phút), LED 4 (chục phút), LED 5 (đơn vị giờ), LED 6 (chục giờ), LED 7 và LED 8 (hiển thị Thứ). Sử dụng IC đệm 2 chiều 74245 (Bus Transceiver) kết hợp điện trở hạn dòng trên các ngõ ra (B1–B8) để nâng cao khả năng chịu tải và độ sáng của LED khi quét.
• Khối điều khiển chuông: Tín hiệu từ vi điều khiển xuất qua tầng khuếch đại kích đóng ngắt rơle cơ điện, đóng mở nguồn điện chuông báo 110V/220V AC.

2. Thiết kế phần mềm

Phần mềm hệ thống được viết bằng hợp ngữ 8951, tổ chức phân bổ không gian RAM nội như sau:

• Vùng lưu bảng mã giải mã LED 7 đoạn (từ số 0 đến 9 tác động mức thấp): Lưu tại các địa chỉ từ 70H đến 79H tương ứng các giá trị: 0C0H (0), 0F9H (1), 0A4H (2), 0B0H (3), 099H (4), 092H (5), 082H (6), 0F8H (7), 080H (8), 090H (9).
• Vùng lưu trữ thời gian báo chuông định sẵn: Ô nhớ 40H–43H lưu mốc 07h00 (40H=00H, 41H=07H, 42H=00H, 43H=00H); ô nhớ 44H–47H lưu mốc 11h30 (44H=01H, 45H=01H, 46H=03H, 47H=00H); ô nhớ 48H–4BH lưu mốc 16h45 (48H=01H, 49H=06H, 4AH=04H, 4BH=05H).
• Vùng biến đếm thời gian thực hiện hành: Ô nhớ 11H (biến đếm Thứ, giá trị từ 2 đến 8 tương ứng Thứ Hai đến Chủ Nhật), 12H (chục giờ), 13H (đơn vị giờ), 14H (chục phút), 15H (đơn vị phút), 16H (chục giây), 17H (đơn vị giây).

Chương trình vận hành theo các mô-đun chính:

• Chương trình khởi tạo: Cấu hình ngăn xếp SP = 40H, nạp bảng mã 7 đoạn vào RAM, cấu hình thanh ghi chế độ định thời TMOD = #01H (Timer 0 Mode 1), nạp giá trị ban đầu cho bộ định thời TH0 = #0D8H, TL0 = #0F6H (hoặc 0FFH), khởi tạo thanh ghi cho phép ngắt IE = #10000111B (cho phép ngắt toàn cục EA, ngắt ngoài EX0, EX1 và ngắt Timer ET0).
• Chương trình phục vụ ngắt Timer 0 (ngatt0): Đảm nhận đếm xung tạo trễ cơ sở 1 giây. Sau khi đủ 1 giây, biến đếm đơn vị giây (17H) tăng 1. Lần lượt kiểm tra tràn: giây đạt 60 $\rightarrow$ tăng phút (15H), phút đạt 60 $\rightarrow$ tăng giờ (13H), giờ đạt 24 $\rightarrow$ reset về 01 giờ và tăng biến đếm Thứ (11H), Thứ vượt quá 8 (Chủ Nhật) $\rightarrow$ quay về Thứ 2.
• Chương trình quét hiển thị (hthi) và giải mã (gma): Dịch chuyển dữ liệu số đếm sang bảng mã tương ứng thông qua thanh ghi con trỏ R0, R1 và xuất lần lượt mã điều khiển vị trí ra cổng P0 kết hợp mã đoạn ra cổng P2 qua IC 74245 kèm trễ ngắn (delay1).
• Chương trình so sánh và báo chuông: Sử dụng lệnh so sánh và rẽ nhánh CJNE để đối chiếu từng byte của biến đếm thời gian thực (12H đến 15H) với vùng nhớ cài đặt báo giờ (40H đến 4BH). Nếu trùng khớp tại giây thứ 00, vi điều khiển gọi chương trình con chuong để kích hoạt rơle phát chuông.
• Chương trình phục vụ ngắt ngoài INT0 (ngato) và INT1 (ngat1): Phục vụ giao tiếp nút bấm. Ngắt INT0 dùng để chọn chế độ điều chỉnh; ngắt INT1 thực hiện tăng giá trị tương ứng của phút, giờ, thứ và cập nhật tức thời ra màn hình hiển thị.

Nội dung chính theo từng chương

Bố cục của báo cáo đồ án tốt nghiệp được tổ chức thành hai phần chính:

Phần I: Giới thiệu đề tài và Nội dung

• Mục I - Giới thiệu các dạng mạch đã có trước: Phân tích chi tiết hai công trình tiền nhiệm tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM gồm máy báo tiết dùng ROM 2732 và đồng hồ báo giờ dùng EPROM 2764. Tổng hợp nguyên lý hoạt động, sơ đồ khối, cách thức tạo xung clock quét địa chỉ BCD và xuất tín hiệu điều khiển chuông qua các bit dữ liệu. Chỉ rõ các điểm hạn chế về phần cứng và tính năng điều chỉnh thời gian của các thiết kế cũ, từ đó nêu bật sự cần thiết của việc ứng dụng vi điều khiển 8951.
• Mục II - Thiết kế phần cứng: Giới thiệu tổng quan kiến trúc phần cứng họ vi điều khiển MCS-51 và chip đại diện AT89C51. Trình bày chi tiết sơ đồ chân, chức năng từng chân ghép nối, cấu trúc không gian bộ nhớ RAM/ROM/SFR (thanh ghi trạng thái chương trình PSW, con trỏ ngăn xếp SP, con trỏ dữ liệu DPTR, các cổng xuất nhập P0–P3, thanh ghi định thời TMOD/TCON, thanh ghi ngắt IE/IP, thanh ghi nguồn PCON). Khảo sát tập lệnh 8951 với 5 nhóm lệnh, 8 chế độ định vị địa chỉ, nguyên lý hoạt động của 4 mode Timer và cơ chế xử lý 5 nguồn ngắt. Trình bày sơ đồ khối toàn mạch và tính toán chi tiết thông số linh kiện khối nguồn nạp ắc quy tự động (OPAMP 741, transistor A671, Zener 3V) và khối đệm IC 74245.
• Mục III - Thiết kế phần mềm: Trình bày phương pháp luận lập trình hợp ngữ có cấu trúc, phân tích ưu điểm nâng cao năng suất viết mã và nhược điểm chiếm dụng bộ nhớ của lập trình cấu trúc. Xây dựng chi tiết hệ thống lưu đồ thuật toán gồm: lưu đồ chương trình chính đồng hồ số, lưu đồ ngắt INT0 chọn mode, lưu đồ ngắt INT1 chỉnh thông số thời gian (giây, phút, giờ, thứ) và lưu đồ ngắt định thời Timer 0. Cung cấp toàn bộ mã nguồn chương trình viết bằng Assembly 8951 kèm chú thích chi tiết từng lệnh.
• Mục IV - Thi công: Trình bày quy trình ứng dụng phần mềm CAD EAGLE để vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện, sắp xếp bố trí linh kiện và thiết kế bản vẽ mạch in hai lớp (lớp mặt trên và lớp mặt dưới).

Phần II: Kết luận và Kiến nghị

• Mục I - Kết luận và hướng phát triển của đề tài: Đánh giá tổng kết các tính năng kỹ thuật mà hệ thống đã hoàn thành (tạo thời gian thực, hiển thị 8 LED 7 đoạn, điều chỉnh thời gian độc lập và phát tín hiệu chuông theo 3 mốc cố định). Đề xuất các hướng mở rộng phần mềm và phần cứng cho hệ thống.
• Mục II - Kiến nghị: Đề xuất định hướng đẩy mạnh nghiên cứu, đầu tư trang thiết bị thực hành vi điều khiển và ứng dụng các kết quả nghiên cứu tự động hóa vào đời sống.
• Tài liệu tham khảo: Liệt kê 6 tài liệu giáo trình và tài liệu kỹ thuật chuyên khảo về vi mạch số, vi điều khiển họ 8051, tra cứu chân linh kiện bán dẫn và hướng dẫn thiết kế mạch in EAGLE.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hiện thực hóa thành công sản phẩm phần cứng và chương trình điều khiển nhúng với các kết quả cụ thể:

1. Kết quả kỹ thuật đạt được:

   • Chế tạo thành công mạch phần cứng hoàn chỉnh sử dụng vi điều khiển 8951 với khối nguồn sạc ắc quy tự động ngắt ở ngưỡng 12V, dòng sạc ổn định 300 mA qua transistor A671 và OPAMP 741, đảm bảo vi điều khiển không bị mất dữ liệu khi mất điện lưới.
   • Hệ thống hiển thị đồng thời và liên tục 8 thông số thời gian thực (Thứ, Giờ, Phút, Giây) trên 8 LED 7 đoạn thông qua IC đệm 74245 với tần số quét cao, không gây hiện tượng nhấp nháy.
   • Bộ điều khiển thực thi chính xác giải thuật thời gian thực 24 giờ, cho phép người dùng can thiệp điều chỉnh độc lập từng thông số thứ, giờ, phút thông qua 2 nút ngắt ngoài INT0 và INT1.
   • Hệ thống tự động so sánh và kích hoạt rơle chuông báo hiệu chính xác tại 3 mốc thời gian thiết lập sẵn trong chương trình: 07 giờ 00 phút, 11 giờ 30 phút và 16 giờ 45 phút.

2. So sánh với các giải pháp trước đó:

Tiêu chí kỹ thuật	Mạch báo tiết dùng EPROM 2732	Mạch đồng hồ dùng EPROM 2764	Hệ thống báo giờ dùng Vi điều khiển 8951
Kiến trúc điều khiển	Mạch logic số rời + EPROM 2732	Mạch logic số rời + EPROM 2764	Vi điều khiển đơn chip AT89C51
Độ phức tạp phần cứng	Rất cao (nhiều IC chia tần, đếm BCD, giải mã)	Cao (nhiều IC đếm, giải mã địa chỉ, chốt)	Gọn nhẹ (tích hợp sẵn CPU, 4KB ROM, 128B RAM)
Khả năng chỉnh thời gian	Chỉnh nhanh/chậm toàn hệ thống	Chỉnh nhanh/chậm qua tần số dao động	Chỉnh độc lập từng đại lượng (Thứ, Giờ, Phút) qua ngắt
Tính linh hoạt chuông báo	Mốc thời gian cố định cứng trong ROM	Mốc thời gian cố định cứng trong EPROM	Điều khiển mềm bằng mã lệnh, dễ mở rộng mốc giờ
Khối nguồn dự phòng	Ổn áp và ắc quy ngoài không tự động sạc	Có mạch sạc và pin dự phòng cơ bản	Tự động sạc 300mA bằng OPAMP 741, tự ngắt khi đầy

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Bên cạnh các kết quả đạt được, tác giả chỉ rõ một số hạn chế do giới hạn về thời gian thực hiện đề tài và phạm vi thiết kế:

• Phần mềm hiện tại chỉ mới hỗ trợ đếm và quản lý thứ, giờ, phút, giây; chưa hỗ trợ tính năng lịch vạn niên phân biệt ngày, tháng, năm.
• Hệ thống chỉ mới cài đặt cố định 3 mốc thời gian báo chuông trong mã nguồn (07h00, 11h30, 16h45); chưa tích hợp bàn phím đầy đủ để người dùng nhập tự do các mốc báo giờ đột xuất trong quá trình vận hành.
• Chưa lập trình tính năng tự động vô hiệu hóa chuông báo vào các ngày nghỉ cuối tuần (Thứ Bảy và Chủ Nhật).
• Khi mất điện lưới, mạch nguồn dự phòng duy trì hoạt động của vi điều khiển và khối hiển thị nhưng ngắt hoàn toàn tín hiệu báo chuông.

Hướng mở rộng được đề xuất:

• Cải tiến phần mềm để hệ thống có khả năng nhận diện, tính toán và hiển thị đầy đủ ngày, tháng, năm.
• Nâng cấp chương trình cho phép người dùng thiết lập danh sách các ngày cấm báo chuông tùy chọn trong tuần, tháng hoặc năm.
• Bổ sung giao tiếp phần cứng với các cảm biến đo lường môi trường như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm.
• Thiết kế mạch tạo âm thanh dạng nhạc chuông đa âm thay cho chuông điện đơn âm nhằm đa dạng hóa tín hiệu báo hiệu cho từng sự kiện.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật và tính ứng dụng thực hành cao:

• Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính, Tự động hóa và Cơ điện tử đang nghiên cứu về kỹ thuật vi điều khiển và thiết kế hệ thống nhúng.
• Nội dung tham khảo trọng tâm:
  • Thiết kế và tính toán mạch sạc ắc quy tự động ngắt dùng khuếch đại thuật toán OPAMP μA741 và tầng khuếch đại công suất BJT.
  • Kỹ thuật quét hiển thị đa hợp LED 7 đoạn sử dụng IC đệm 74245 kết hợp các cổng xuất/nhập của vi điều khiển họ MCS-51.
  • Cấu trúc chương trình hợp ngữ chuẩn cho vi điều khiển 8951: cấu hình Timer 16-bit tạo trễ 1 giây, kỹ thuật lập bảng tra mã 7 đoạn trong bộ nhớ RAM, thiết lập bảng vector ngắt và giải thuật so sánh thời gian thực.
  • Quy trình ứng dụng phần mềm CAD EAGLE trong thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in 2 lớp cho các mạch điều khiển vi xử lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng cơ chế nào để tạo ra chu kỳ đếm thời gian thực 1 giây chính xác?
Hệ thống sử dụng bộ dao động thạch anh ngoài tần số 12 MHz kết hợp 2 tụ gốm 30 pF, đưa qua mạch chia tần số nội 12 của vi điều khiển 8951 để tạo tần số cơ sở 1 MHz (mỗi chu kỳ máy bằng $1\ \mu\text{s}$). Chương trình cấu hình Timer 0 hoạt động ở Chế độ 1 (định thời 16-bit) với các giá trị khởi tạo nạp vào thanh ghi TH0 = #0D8H và TL0 = #0F6H (hoặc #0FFH). Khi bộ định thời đếm tràn, cờ TF0 được kích hoạt để sinh ngắt định thời phục vụ việc tăng biến đếm giây và các cấp thời gian tiếp theo.

2. Mạch nguồn và sạc ắc quy tự động trong đề tài hoạt động trên nguyên lý nào?
Mạch sử dụng IC khuếch đại thuật toán OPAMP μA741 làm bộ so sánh điện áp với ngưỡng tham chiếu 3V (tạo bởi diode Zener 3V và biến trở điều chỉnh $\text{VR} = 5\text{ k}\Omega$). Khi ắc quy có điện áp dưới 12V, ngõ ra OPAMP ở mức 0V kích transistor A671 dẫn bão hòa để sạc ắc quy với dòng nạp định mức 300 mA qua điện trở hạn dòng $R_{15} = 10\ \Omega$ (1W). Khi ắc quy nạp đầy đạt điện áp từ 12V trở lên, ngõ ra OPAMP chuyển lên mức cao (14V) làm transistor A671 ngắt hoàn toàn để bảo vệ ắc quy.

3. Khối hiển thị của hệ thống được kết nối và điều khiển như thế nào?
Hệ thống sử dụng 8 LED 7 đoạn hiển thị tuần tự Thứ (LED 7, 8), Giờ (LED 5, 6), Phút (LED 3, 4) và Giây (LED 1, 2). Cổng P2 của vi điều khiển 8951 xuất mã nhị phân 7 đoạn qua IC đệm dòng 74245 (kết hợp các điện trở hạn dòng bảo vệ), trong khi cổng P0 đóng vai trò điều khiển phân kênh quét tuần tự từng vị trí LED với chu kỳ quét nhanh để mắt người quan sát liên tục không thấy hiện tượng chớp tắt.

4. Chương trình phần mềm xử lý tác vụ điều chỉnh thời gian và báo chuông ra sao?
Tác vụ chỉnh thời gian được xử lý bằng ngắt ngoài: ngắt INT0 (chân P3.2) dùng để chọn chế độ điều chỉnh và ngắt INT1 (chân P3.3) dùng để tăng độc lập giá trị của biến đếm phút, giờ hoặc thứ. Đối với chức năng báo chuông, vi điều khiển nạp sẵn các mốc thời gian so sánh vào RAM nội (địa chỉ 40H–4BH) tương ứng với 3 mốc: 07h00, 11h30 và 16h45. Trong vòng lặp chính, lệnh CJNE liên tục đối chiếu biến đếm hiện hành với các ô nhớ này; khi trùng khớp tại giây thứ 00, vi điều khiển xuất tín hiệu kích rơle đóng chuông.

5. Lợi ích căn bản của việc ứng dụng vi điều khiển 8951 thay thế cho các thiết kế EPROM rời trước đây là gì?
Vi điều khiển 8951 tích hợp sẵn CPU, 4 KB Flash ROM, 128 byte RAM, 2 bộ định thời 16-bit và 4 cổng I/O trên một chip đơn. Nhờ đó, hệ thống loại bỏ hoàn toàn các khối phần cứng phức tạp như mạch chia tần rời, IC đếm BCD và IC giải mã địa chỉ ngoài, giúp giảm kích thước mạch in, cho phép người dùng điều chỉnh độc lập từng thông số thời gian theo cả hai chiều và dễ dàng thay đổi các mốc báo giờ cũng như quy luật phát chuông thông qua việc sửa đổi mã lệnh phần mềm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống báo giờ sử dụng vi điều khiển 8951" của sinh viên Đoàn Quốc Sơn đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa việc quản lý và báo giờ học đường bằng công nghệ vi điều khiển đơn chip. Tác giả đã hoàn thiện cả phần cứng mạch in hai lớp thiết kế bằng phần mềm EAGLE lẫn chương trình điều khiển viết bằng hợp ngữ Assembly MCS-51, tích hợp mạch nguồn sạc ắc quy tự động ngắt dùng OPAMP 741 và hiển thị 8 LED 7 đoạn qua IC đệm 74245. Hệ thống vận hành ổn định, hiển thị chính xác thứ, giờ, phút, giây, hỗ trợ chỉnh giờ linh hoạt qua ngắt ngoài và tự động kích chuông báo tại các thời điểm định sẵn. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cao cho sinh viên ngành Điện - Điện tử trong việc nghiên cứu và ứng dụng vi điều khiển họ 8051.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Lời mở đầu 8 Mục lục. PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1- Mục tiêu đề tài LỊ- Nguyên lý chúng của hệ thống báo g tự động. DỤNG 1- Giới thiệu các dạng mạch dã có trước. I- Đề tài Thiết kế và thị công mạch báo tiết học cho Trường ĐHNPRT” 3- Để tài "Thiết kế và thi công mạch đồng hồ báo giữ", 3 Ưu nhược điểm của hệ thống báo giờ dùng “EPROM” và mach bio giờ sứ dụng vị điều khiển 8951.

H- Thiet kế phần cúng. “ 21 * Giới thiệu họ vi điều khiển 8951 1 -Sơ đồ khối mạch điện hệ thốn, 2 -Tính toán và thiết kế các khối HI- Thiết kế phần mêm. 1 -Mô tả chương trình phẫn mềm. 2- Chương trình.

1W- Thị công PHAN II : KẾT LUẬN VÀ KIỂN NGHỊ. T- Kết luận và hướng phát triển của để tài. I- Kiến nghị Tài liệu tham khảo Trang 9 -tuậm oăn tốt nghiệp, 44/0200 : Ơh.$ Ouân Chanh Mai ————_—_ PHANI GIỚI THIEU DE TAI Trang 10 -Đuậm oăm tốt nghiệp.Š Feéin Thanh Mai I- MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI. Mục tiêu của để tài là thiết kế một hệ thống có những khả năng sau: Tao ra thời gian thực.

_ Hiển thị thứ , giờ , phút , giây _ Điều khiển báo chuông. Hệ thống báo giờ có những khả năng sau : _ Cho phép theo đồi thời gian thực (Gồm thứ, giờ, phút và giây) và điều chỉnh thời gian thực “Tự động bảo hiểu tai những thời điểm cố định Hệ thông vẫn lâm việc Khí mắt điện lưới (nhưng sẽ không báo hiệu). H-PHƯƠNG HỦ mee Để hệ thông có những đặc tính trên, người viết dung kỹ thuật vi điểu khiển để thiết Kẻ hệ thống, Hoạt động của hệ thống là sự kết hợp chặt chế giữa phần cứng và phần mềm. Hệ Thông dược thiết kế dựa trên bộ Vi điều khiển 895 1hé thống có: Bộ nhớ ROM và RAM phục vụ cho hoạt động của hệ thống.

_ Sử dụng Timer để phục vụ việc tạo thời gian thực _ Mạch kiểm soát các vectơ ngắt I7 dùng cho việc phục vụ các chức năng điều chỉnh. - 8 led 7 đoạn để hiển thị thời gian (Thứ, giờ, phút và giây). - Mạch điều khiển chuông điện để báo hiệu. - Mạch nguồn cấp điện có accu dự phòng khi mất điện lưới.

Phân mềm hệ thống được thiết kế dựa trên cấu tạo phần cứng hệ thống được tổ chức như sau: -Chương trình để đếm thời gian thực. - Chương trình ra quyết định báo hiệu và điều khiển báo hiệu. Trang 11 Lun van tot aghi¢p GOUD : Th. Fein Thanh Mai IY- NGUYÊN LÝ CHUNG CUA MACH pONG HỒ BÁO GIỜ TỰ Do bộ vi điều khiển 8951 có đến hai TIMER vì vậy lợi dụng đặc điểm cấu tạo của nó ta sử dụng I TIMER để đếm thời gian.

Khi reset hệ thống , các led hiển thị số 0 .( Ta qui định như sau : led đơn vị giây là led 1, led chục giây là led 2. led đơn vị phút là 3, led chục phút là 4, led đơn vị giờ là 5, led chục giờ là 6, led ngày 7 và 8.