Thiết kế mạch đo nhiệt độ đơn giản bằng vi mạch điều khiển AT90S8535 của hãng Atmel

5
xử lý AT90S8535 của ATMEL, do đây là một sản phẩm mới của hãng ATMEL
nên việc tìm hiểu nó sẽ đem lại rất nhiều lợi ích trong việc thiết kế các ứng dụng
đo lường và điều khiển. Về mặt cấu tạo nó cũng tương tự như bộ vi xử lý
AT90S8515 đã có từ khá lâu với 4 cổng I/O lập trình được. Nhưng về mặt cơng
dụng thì bộ vi xử lý AT90S8535 được tích hợp nhiều chức năng hơn so với bộ
vi xử lý AT90S8515, đặc biệt trên µC AT90S8535 được tích hợp một bộ ADC
cho phép mỗi chân của port A được sử dụng là đầu vào cho bộ ADC, làm cho
việc sử dụng µC AT90S8535 trong các ứng dụng linh hoạt hơn rất nhiều so với
µC AT90S8515 đang được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam.

b) Thiết bị hiển thị dữ liệu :

Đối với các loại dữ liệu được hiển thị dưới dạng số thì giải pháp tối ưu là
sử dụng các LED 7 thanh do loại thiết bị hiển thị này có giá thành tương đối rẻ.
Tuy nhiên, do ứng dụng khơng chỉ hiển thị chữ số (giá trị nhiệt độ) mà còn phải
hiển thị cả các ký tự trong bảng chữ cái, do đó lựa chọn thiết bị hiển thị LCD vì
loại thiết bị hiển thị này có khả năng hiển thị cả chữ cái và chữ số một cách rõ
nét. Mặc dù so với các loại đèn LED thì LCD có giá thành cao hơn, nhưng bù lại
thiết bị hiển thị LCD có nhiều đặc tính ưu việt hơn hẳn so với các loại đèn LED.
Đặc biệt, thiết bị LCD cung cấp khả năng hiển thị dữ liệu vơ cùng linh hoạt do
ta có thể điều khiển xuất dữ liệu một cách trực tiếp thơng qua tập lệnh điều
khiển của vi mạch điều khiển và bộ mã ký tự sẵn có trong CGRAM của LCD.
Một điều cần quan tâm khác là thiết bị LCD tiêu tốn rất ít năng lượng.

Trên thị trường hiện nay có khá nhiều module LCD của các hãng khác
nhau như Samsung, Hitachi, Motorola với nhiều loại kích thước. Trong đồ án
sử dụng module LCD có kích thước 4x20 characters với 16 chân ghép nối.
Khơng nhất thiết phải chọn hãng cung cấp vì các module LCD đều được xây
dựng theo cùng một tiêu chuẩn, do đó cách thức điều khiển và ghép nối các
module LCD thơng dụng hiện nay cũng tương tự nhau.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN





6
c) Thiết bị vào dữ liệu và điều khiển (Keypad) :

Để người sử dụng có thể giao tiếp được với hệ thống, cần phải ghép nối µC
với một module keypad. Do ứng dụng có thể làm việc với cả chữ cái và chữ số
nên ta sử dụng keypad loại 16 keys, trong đó mỗi một phím được thiết kế như
một cơng tắc để có thể nhập được dữ liệu có dạng như sau :
 10 chữ số trong hệ thập phân từ 0 9.
 26 chữ cái la tinh từ A Z.
 Các phím điều khiển bao gồm : Send, Bspace, , , /, Clear.

Do số ký tự có thể được sử dụng cùng với các phím chức năng lớn hơn rất
nhiều so với tổng số phím sẵn có trên module keypad. Vì vậy, bắt buộc phải sử
dụng phương pháp Multikey, tức là sử dụng phần mềm để mỗi một phím trên
module keypad có thể mã hố được khơng ít hơn hai ký tự khác nhau. Bằng cách
này, với keypad có 16 phím ta có thể mã hố được tồn bộ bảng chữ cái và chữ
số đồng thời vẫn có thể thực hiện được các chức năng điều khiển như trình bầy ở
trên.

d) Giao tiếp giữa µC và PC :

Mặc dù hệ thống được thiết kế dựa trên µC AT90S8535 đã có thể làm việc
độc lập trong qua trình thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu tới người sử dụng mà
khơng cần có sự trợ giúp của PC. Tuy nhiên, trong hầu hết các ứng dụng đều cần
phải lưu trữ lại dữ liệu mà nếu thực hiện việc này dựa trên µC AT90S8535 đòi
hỏi rất nhiều kỹ thuật và chi phí. Trong khi đó, thao tác lưu trữ dữ liệu trên PC
lại rất đơn giản, vì vậy giải pháp tối ưu nhất là sử dụng PC để làm nhiệm vụ
phức tạp này. Vấn đề còn lại chỉ là thao tác truyền dữ liệu cần lưu trữ từ µC sang
PC, việc này được thực hiện khá đơn giản vì bản thân µC AT90S8535 đã được
tích hợp một bộ UART để sử dụng trong hoạt động truyền tin với các thiết bị ở
xa. Như vậy, dựa vào mạch UART của µC ta có thể thực hiện truyền nhận dữ
liệu với PC theo chuẩn RS 232. Một vấn đề cần quan tâm khi ghép nối µC với
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN





7
PC theo chuẩn RS 232 là sự tương quan về mặt điện áp tín hiệu dạng TTL của
µC và điện áp tín hiệu dạng RS 232 của PC. Để thực hiện việc chuyển đổi tín
hiệu dạng TTL sang dạng tín hiệu RS 232
ta sử dụng IC Max232, IC này có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu ±10
V
từ mức điện áp
TTL để tạo sự tương thích về mức điện áp với chuẩn RS 232.

1.3.2. Phương hướng thiết kế.

Từ sơ đồ tổng thể của hệ thống như trên hình 1.1 và từ việc lựa chọn thiết
bị như trình bầy ở trên, hệ thống cần thiết kế có thể được thể hiện như trong sơ
đồ hình 1.2, trong đó :

 Khối LCD display : Sử dụng module LCD sẵn có trên thị trường được
ghép nối với µC để hiển thị các thơng tin cần thiết cho người sử dụng.

 Khối Keypad : Được nối ghép với µC để người sử dụng có thể nhập
dữ liệu hoặc điều khiển sự hoạt động của hệ thống. Module này được thiết
kế dưới dạng các cơng tắc và sử dụng trực tiếp các đặc tính của các cổng
I/O lập trình được của µC để thực hiện mà khơng cần nguồn hỗ trợ bên
ngồi.
 Khối LM 335 : Là một IC cảm biến nhiệt làm nhiệm vụ biến đổi nhiệt
độ mơi trường sang dạng điện áp để làm đầu vào cho bộ ADC của µC làm
việc.

 Khối Max 232 : Sử dụng IC Max 232 ghép nối trược tiếp với µC làm
nhiệm vụ trao đổi thơng tin giữa µC và PC theo chuẩn RS 232.

 Khối nguồn : Làm nhiệm vụ biến nguồn xoay chiều 220
V
sang nguồn
một chiều ±5
V
ổn định để cấp nguồn cho các khối khác hoạt động.

Hình 1.2 : Sơ đồ khối thiết kế phần cứng
LCD
display
Keypad
LM335


µ
µµ
µC +
I/O
port
Nguồn
Max 232
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN





8

CHƯƠNG 2
LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ
VÀ MỘT SỐ LÝ THUYẾT VỀ CHUYỂN ĐỔI A/D

2.1. Lựa chọn linh kiện thiết kế.

2.1.1. Giới thiệu vi mạch điều khiển AT90S8535.

AT90S8535 là một vi mạch điều khiển năng lượng thấp 8 bit (cơng nghệ
chíp CMOS) trên cơ sở cấu trúc RICS của hãng ATMEL, nó thuộc họ vi điều
khiển AT90S/LS8535. Bằng cách thực hiện mỗi lệnh trong một đơn chu kỳ,
AT90S8535 có thể đạt tới 1 MIPS cho mỗi MHz cho phép hệ thống có thể được thiết
kế một cách tối ưu nhất sự tiêu thụ năng lượng làm tăng tốc độ xử lý. Về mặt cấu tạo
µC này cũng tương tự như µC AT90S8515 với 4 cổng I/O lập trình được, tuy
nhiên về mặt chức năng thì µC AT90S8535 được tích hợp thêm nhiều tính năng
mới mà µC AT90S8515 khơng có. Các đặc trưng chính của µC AT90S8535
được trình bầy dưới đây :

•
8KB bộ nhớ chương trình
•
512 byte EEPROM
•
512 byte SRAM
•
32 line (4 cổng) I/O lập trình được
•
32 thanh ghi đa năng 8 bit
•
8 kênh đầu vào ADC riêng biệt với 10 bit kết quả
•
2 bộ Timer/Counter 8 bit với bộ đếm độc lập và chế độ so sánh
•
1 bộ Timer/Counter 16 bit với bộ đếm độc lập và các chế độ PWM
•
1 bộ UART lập trình trao đổi thơng tin nối tiếp
•
1 bộ Watchdog Time lập trình được với bộ tạo giao động trong
•
1 bộ so sánh analog
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN





9
•
1 cổng phối ghép nối tiếp thiết bị ngoại vi SPI
•
3 chế độ làm việc là : Idle, Power-Save và Power-down
•
Nguồn cung cấp từ 4.0 - 6.0
V
, tần số làm việc 0 - 8MHz.

Vi mạch điều khiển AT90S8535 được chế tạo theo cơng nghệ chíp nhớ cố
định với mật độ cao. Bộ nhớ Flash ISP trên chíp cho phép bộ nhớ chương trình
có thể được lập trình lại thơng qua một cổng SPI phối ghép nối tiếp với thiết bị
ngoại vi. Ngồi ra, µC AT90SS8535 còn hỗ trợ cho việc lập trình thơng qua các
cơng cụ pháp triển hệ thống như C, assemblers
Vi điều khiển AT90S8535 có 4 cấu hình chân khác nhau là : PDIP (Có 40
chân), PLCC, TQFP, MLF (Có 44 chân). Sơ đồ chân của mỗi loại như sau.
Hình 2.1 : Cấu hình chân của µC AT90S8535

















PDIP
PLCC
TQFP MLF
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN





10














Chức năng các chân của µC AT90S8535 như sau :

 VCC : Chân cấp nguồn 5
V

 GND : Chân nối đất

 RESET : Là đầu vào reset. Tín hiệu reset ở bên ngồi sẽ tạo ra bởi mức
thấp của trở kháng trên chân Reset. Xung reset dài q 50ns sẽ tạo ra tín
hiệu reset. Xung ngắn hơn sẽ khơng đảm bảo phát sinh tín hiệu reset.

 XTAL1 : Là một đầu vào có tác dụng đảo chiều bộ khuếch đại tạo dao
động và là đầu vào của mạch điều khiển đồng hồ bên trong.
 XTAL2 : Là đầu ra của tín hiệu đảo từ bộ khuếch đại tạo dao động

 AVCC : Là chân cung cấp điện áp cho cổng A và bộ chuyển đổi ADC,
nếu ADC khơng được sử dụng thì chân này phải được nối với nguồn 5
V

(chân VCC), nếu ADC được sử dụng thì chân này phải được nối tới nguồn
5
V
qua bộ lọc thơng thấp.

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN





11
 AREF : Là đầu vào chuẩn của tín hiệu tương tự cho bộ chuyển đổi
ADC. Để cho ADC hoạt động được, nguồn sử dụng cho chân này phải có
phạm vị từ 2
V
đến AVCC.


AGND : Chân nối đất của tín hiệu analog, nếu bo mạch có một mức
nối đất riêng của tín hiệu analog, thì chân này phải được nối tới mức nối
đất này. Nếu khơng có, chân này được nối tới chân GND.


 Port A (PA7 PA0) : Là một cổng vào ra hai chiều 8 bit. Các chân của
cổng có thể cung cấp các trở kháng trong cho phép chọn từng bit. Đệm ra
của cổng A có khả năng kéo dòng lên tới 20mA và có thể điều khiển trực
tiếp sự hiển thị LED. Khi các chân PA0 đến PA7 được sử dụng như các
cổng vào và ở mức thấp, chúng sẽ là đầu vào hiện thời nếu các điện trở
trong được kích hoạt. Cổng A cũng có thể được sử dụng như những đầu
vào analog để đưa tín hiệu tới bộ bộ chuyển đổi ADC. Các chân của cổng
A ở trạng thái khơng xác định khi reset, ngay cả khi đồng hồ khơng hoạt
động.

 Port B (PB7 BP0) : Là một cổng vào ra hai chiều 8 bit với các trở
kháng trong. Đệm ra của cổng B có khả năng kéo dòng lên tới 20mA. Khi
là đầu vào, các chân của cổng B trong trạng thái trở kháng thấp sẽ là đầu
vào hiện thời nếu các điện trở trong được kích hoạt. Cổng B là cổng cung
cấp các chức năng khác nhau với những đặc tính đặc biệt của µC
AT90S8535. Các chân của cổng B ở trạng thái khơng xác định khi reset,
ngay cả khi đồng khơng hoạt động.

 Port C (PC0 PC7) : Là một cổng vào ra hai chiều 8 bit với các trở
kháng trong. Đệm ra của cổng C có khả năng kéo dòng lên tới 20mA. Khi
là đầu vào, các chân của cổng C trong trạng thái trở kháng thấp sẽ là đầu
vào hiện thời nếu các điện trở được kích hoạt. Hai chân của cổng C có thể
được lựa chọn để sử dụng giống như bộ tạo dao động cho bộ
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN





12
Timer/Counter2. Các chân của cổng C ở trạng thái khơng xác định khi
reset, ngay cả khi đồng khơng hoạt động.

 Port D (PD0 PD7) : Là một cổng vào ra hai chiều 8 bit với các trở
kháng trong. Đệm ra của cổng C có khả năng kéo dòng lên tới 20mA. Khi
là đầu vào, các chân của cổng D trong trạng thái trở kháng thấp sẽ là đầu
vào hiện thời nếu các điện trở được kích hoạt. Cổng D cũng cung cấp
những chức năng có đặc tính đặc biệt của µC AT90S8535. Các chân của
cổng D ở trạng thái khơng xác định khi reset, ngay cả khi đồng khơng
hoạt động.
Hình 2.2 : Sơ đồ khối vi mạch điều khiển AT90S8535

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN





13
2.1.1.1. Cấu trúc của vi mạch AT90S8535.

Vi mạch điều khiển AT90S8535 có những phương thức truy cập nhanh tới
tâp thanh ghi đa năng bao gồm 32 thanh ghi 8 bit với thời gian truy cập trong
một đơn chu kỳ đồng hồ. Điều này có nghĩa trong một đơn chu kỳ, một thao tác
của bộ ALU được thực hiện sẽ lấy hai tốn hạng từ hai thanh ghi trong tập thanh
ghi, sau khi thao tác được thực hiện và kết qua trả sẽ được lưu trở lại tập thanh
ghi trong một chu kỳ đồng hồ.

Sáu trong số 32 thanh ghi đa năng này có thể được sử dụng như 3 thanh ghi
địa chỉ gián tiếp 16 bit trỏ đến khơng gian địa chỉ dữ liệu, làm cho phép tính địa
chỉ đạt được hiệu quả cao. Một trong 3 con trỏ địa chỉ này cũng được sử dụng
giống như con trỏ địa chỉ tới vùng nhớ dữ liệu cố định. Các thanh ghi địa chỉ
này là các thanh ghi 16 bit X, Y, Z.

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN





14
Hình 2.3 : Sơ đồ khối kiến trúc của µC AT90S8535

Bộ ALU cung cấp các chức năng tính tốn số học và logic giữa các thanh
ghi hoặc giữa một hằng số và một thanh ghi. Những thao tác của một thanh ghi
đơn cũng được thực hiện trong bộ ALU. Sự hoạt động của ALU được phân chia
làm 3 loại chính là số học, logic và các chức năng bit.
Ngồi các chức năng của thanh ghi, các chế độ đánh địa chỉ bộ nhớ thơng
thường cũng có thể được sử dụng trên các tập các thanh ghi. Điều này được thực
hiện qua việc tập thanh ghi được gán 32 địa chỉ thấp nhất của khơng gian địa chỉ
dữ liệu ($00 $1F), Cho phép chúng có thể được truy nhập như là là các địa chỉ nhớ
bình thường.

Khơng gian vùng nhớ I/O bao gồm 64 địa chỉ ($20 $5F) dành cho các chức
năng điều khiển thiết bị ngoại vi của µC như : Các thanh ghi điều khiển, bộ
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

Xem chi tiết: Thiết kế mạch đo nhiệt độ đơn giản bằng vi mạch điều khiển AT90S8535 của hãng Atmel