Bản báo cáo môn thiết kế mạch sử dụng máy tính đề tài thiết kế đồng hồ số

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG

Bản báo cáo mơn: Thiết kế mạch sử dụng máy tính
Đề tài:
THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ SỐ

Hà Nội , ngày 12, tháng 01, năm 2023


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................3
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ 8051.....................................................................4
1.1. LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ CẤU TẠO 8051..................................................4
1.1.1. LỊCH SỬ RA ĐỜI...............................................................................4
1.1.2. CÁU TẠO 8051...................................................................................6
1.2.

SƠ ĐỒ CHÂN 8051...................................................................................8

1.3.

BỘ VI ĐIỀU KHIỂN 8052......................................................................10

CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU IC 74LS47...............................................................12
2.1.

SƠ ĐỒ CHÂN..........................................................................................12

2.2.

CHỨC NĂNG CÁC CHÂN....................................................................13

2.3.

CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG..........................................................................14

2.4.

THÔNG SỐ KỸ THUẬT........................................................................15

CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU LED 7 ĐOẠN..........................................................16
3.1.

CẤU TẠO.................................................................................................16

3.2.

PHÂN LOẠI.............................................................................................18

3.3.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG..................................................................19

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH.........................................................................23
4.1.

MẠCH NGUYÊN LÝ..............................................................................23

4.2.

MẠCH LAYOUT, 3D..............................................................................24

4.3.

CHƯƠNG TRÌNH CODE......................................................................29

TỔNG KẾT.............................................................................................................30


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ điện tử đã
đang và sẽ phát triển ngày càng rộng rãi đặc biệt là trong kỹ thuật số. Hầu hết các
thiết bị kỹ thuật từ phức tạp cho đến đơn giản như thiết bị điều khiển tự động, thiết
bị văn phòng cho đến các thiết bị gia đình đều dùng các bộ vi điều khiển. Các ứng
dụng của mạch số như đồng hồ số, mạch đếm sản phẩm, mạch đo nhiệt độ... Trong
các trường học cơng sở, cơ quan xí nghiệp... Đồng hồ số được dùng để xem giờ và
báo giờ.
Mục đích chính của đồ án này là “Tìm hiểu 8051 và xây dựng đồng hồ thời
gian thực và ứng dụng điều khiển”. Mục tiêu và nội dung của đồ án.
Mục tiêu: Tìm hiểu cấu tạo và chức năng của vi điều kiển 8051 và các linh
kiện liên quan. Xây dựng và thiết kế một mạch đồng hồ số có chức năng xem giờ.
Dựa trên những kiến thức đã được học trên lớp cùng với sự hướng dẫn của
thầy Đặng Văn Hải. Thầy đã giúp chúng em có được thêm nhiều những kiến thức
và kinh nghiêm quý báu để hỗ trợ cho việc học tập và đời sống, nhưng do vốn kiến
thức còn chưa được rộng và thời gian có hạn nên trong quá trình làm chúng em cịn
có nhiều sai sót. Vì vậy em mong thầy cơ có thể chỉ bảo chúng em thêm để đề tài
được hoàn thiện hơn ạ.

3

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU VỀ 8051.

1.1. LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ CẤU TẠO 8051.
1.1.1. LỊCH SỬ RA ĐỜI.
Intel 4004 là vi xử lý đầu tiên được thương mại hóa bởi Intel năm 1971.

Hình 1.1: Intel 4004
Vi điều khiển 8051 được Intel thiết kế vào năm 1981. Đây là bộ vi điều
khiển 8 bit, được xây dựng với 40 chân DIP (gói nội tuyến kép), 4kb bộ nhớ
ROM và 128 byte bộ nhớ RAM, 2 bộ định thời 16 bit. Nó bao gồm bốn cổng
8 bit song song, có thể lập trình cũng như định địa chỉ theo yêu cầu. Một bộ
dao động tinh thể trên chip được tích hợp trong bộ vi điều khiển có tần số
tinh thể là 12 MHz.

4


Hình 1.2: 8051

Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51 hoàn toàn tương tự
nhau, ở đây ta giới thiệu 8051 với các đặc điểm chính sau:
 4KB EPROM nội
 128 byte RAM nội
 4 port xuất / nhập (/O port) 8 bit
 2 bộ định thời 16 bit
5







Giao tiếp nối tiếp
64kb Rom ngồi
64kb Ram ngồi
210 vị trí nhớ để định vị bit, mỗi vị trí một bit
4us cho hoạt động nhân hoặc chia
1.1.2. CÁU TẠO 8051.

- Thành phần chính của vi điểu khiển 8051 là bộ xử lý trung tâm hay còn gọi
là CPU. CPU bao gồm:







Thanh ghi tích luỹ A
Thanh ghi tích luỹ B, dùng cho phép nhân và chia
Đơn vị logic học ALU
Từ trạng thái chương trình PSW
4 bank thanh ghi
Con trở ngăn xếp

- Ngồi ra cịn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển
thời gian và logic
- Đơn vị xử lý trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ dao động
6


- Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển ở
bên trong. Các nguồn ngắt có thể là các biến cố ở bên ngồi, sự tràn bộ đếm định
thời hoặc cũng có thể là giao diện nối tiếp.
- 2 bộ định thời 16 bit hoạt động như một bộ đếm.
- Các cổng port 0, port l, port 2, port 3 được sử dụng vào mục đích điều
khiển, ở cổng port 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một
bộ nhớ bên ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp cũng như các đường dẫn ngắt
bên ngoài.
- Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng
bộ làm việc độc lập với nhau. Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt trong
dải rộng và được ấn định bằng một bộ định thời,
- Trong vi điều khiển 8051 cịn có hai thành phần quan trọng khác là bộ nhớ
và các thanh ghi
- Bộ nhớ RAM và ROM dùng để lưu dữ liệu và mã lệnh
- Các thanh ghi dùng để lưu dữ thông tin trong q trình xử lý. Khi CPU
làm việc, nó làm thay đổi nội dung của các thanh ghi.

7


1.2.SƠ ĐỒ CHÂN 8051.
Sơ đồ chân 8051:
Port 0:
- Port 0: (P0.0- P0.7) có ố chân từ 32-39

- Port 0 có 2 chức năng:
 Port xuất nhập dữ liệu (P0.0P0.7) → khơng sử dụng bộ nhớ
ngồi.
 Bus địa chỉ byte thấp và bus dữ
liệu đa hợp (AD0- AD7) → có sử
dụng bộ nhớ ngồi.
+ Lưu ý:
- Khi Port 0 đóng vai trị là port xuất
nhập dữ liệu thì phải sử dụng các điện trở
kéo lên bền ngồi.
- Khi lập trình cho ROM trong chip thì
Port 0 đống vai trị là ngõ vào của dữ liệu
(D0
- D7)
Port 1:
- Port 1 (P1.0 - P1.7) có số chân từ 1 →
8.
- Port 1 có một chức năng: Port xuất
nhập dữ liệu (P1.0- PI.7)→ sử dụng hoặc
khơng sử dụng bộ nhớ ngồi.

Sơ đồ chân 89C51

- Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 1 đống vai trò là ngõ vào của
địa chỉ byte thấp (A0 - A7)
Port 2:
- Port2 (P2.0- P2.7) có số chân từ 21 → 28.
- Port 2 cố hai chức năng:
8

 Port xuất nhập dữ liệu (P2.0- P2.7) → không sử dụng bộnhớ ngoài.

9


 Bus địa chỉ byte cao (A8- A15) → có sử dụng bộ nhớ ngồi.
- Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 2 đóng vai trị là ngõ vào của
địa chỉ byte cao (A8- A11) và các tín hiệu điều khiển.
Port 3:
- Bảng chức năng các chân Port 3:
Bit
Tên
Địa chỉ
Chức năng
P3.0
RxD
B0H
Chân nhận dữ liệu của port nối tiếp
P3.1
TxD
B1H
Chân phát dữ liệu của port nối tiếp
P3.2 INT0\
B2H
Ngõ vào nhát ngoài 0
P3.3 INT1\
B3H
Ngõ vào nhát ngoài 1
P3.4

T0
B4H
Ngõ vào của bộ định thời/đếm 0
P3.5
T1
B5H
Ngõ vào của bộ định thời/đếm 1
P3.6
WR\
B6H
Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu (RAM) ngoài
P3.7
RD\
B7H
Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu (RAM) ngồi
Chân PSEN: là chân 29, có 4 tín hiệu điều khiển, là tín hiệu để cho phép bộ
nhớ chương trình mở rộng và thường được nối lên chân OE của một EPROM để
cho phép đọc các byte mã lệnh.
PSEN ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhị phân của chương trình
được đọc từ Eprom qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 để giải mã
lệnh. Khi thi hành chương trình trong Rom nội PSEN sẽ thụ động (mức cao).
Chân ALE: (chốt) Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bị
làm việc với các xử lý 8585,8088,8051 dùng ALE một cách tương tự cho làm việc
giải các kênh các Bus địa chỉ và dữ liệu khi port 0 được dùng trong chế đọ chuyển
đổi của nó: vừa là Bus dữ liệu vừa là byte thấp của địa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt
địa chỉ vào vào một thanh ghi bên ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ. Sau đó
các đương port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nửa sau của chu kỳ bộ nhớ.
Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chíp và
có thể được làm xung nhịp cho các hệ thống. Nếu xung trên 8051 là 12MHZ thì
ALE có tân số 2MHZ. Chỉ ngoại trừ khi thi hành lệnh Movx, một xung ALE bị

mất.
Chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho Eprom trong 8051.
10


Chân EA: (truy xuất ngồi):Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được mắc
lên mức cao(+5V) hoặc mức thấp(GND). Nếu ở mức cao, 8051 thi hành chương
trình từ Rom nội trong khoảng địa chỉ thấp(4K). Nếu ở mức thấp chương trình chỉ
được thi hành từ bộ nhớ mở rộng. Khi dùng 8031, EA ln được nối ở mức thấp vì
khơng có bộ nhớ chương trình trên chíp. Nếu EA được nối ở mức thấp bộ nhớ bên
trong chương trình 8051 sẽ bị cấm và thi hành chương trình Eprom mở rộng.
Người ta còn dùng chân EA làm chân cấp điện áp 21V khi lập trình cho Eprom
trong 8051.
Chân RST(reset): Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao(ít nhất phải 2 chu
kỳ máy), các thanh ghi trong 8051 được tải những giá trị thích hợp đẻ khởi động hệ
thống.
Các ngõ vào bộ dao động trên chip:Như đã thấy ở các hình trên,8051 có bộ
dao động trên chip. Nó thường được nối với thạch anh gia hai chân 18 và 19, Các
tụ giữa cũng cần thiết như đã vẽ. Tân số thạch anh thông thường là 12MHZ.
Các chân nguồn: 8051 vận hành với nguồn đơn +5V(VCC) được nối vào chân
40 và chân 20 được nối GND.
1.3. BỘ VI ĐIỀU KHIỂN 8052.
Bộ vi điều khiển 8052 là một thành viên khác của họ 8051, 8052 có tất cả các đặc
tính chuẩn của 8051 ngồi ra nó có thêm 128 byte RAM và một bộ định thời nữa.
Hay nói cách khác là 8052 có 256 byte RAM và 3 bộ định thời. Nó cũng có 8K
byte ROM. Trên chíp thay vì 4K byte như 8051.

11

Đặc tính

8051

8052

8031

ROM trên chíp

4K byte

8K byte

OK

RAM

128 byte

256 byte

128 byte

Bộ định thời

2

3

2

Chân vào ra

32

32

32

Cổng nối tiếp

1

1

1


Nguồn ngắt

6

8

6

Như nhìn thấy từ bảng 2 thì 8051 là tập con của 8052. Do vậy tất cả mọi
chương trình viết cho 8051 đều chạy trên 8052 nhưng điều ngược lại là khơng
đúng.

Hình 1.3: 8052

12


CHƯƠNG 2.

GIỚI THIỆU IC 74LS47.

Khái quát chung: 74LS47 là IC điều khiển / giải mã BCD sang 7 đoạn. Nó chấp
nhận một số thập phân được mã hóa nhị phân làm đầu vào và chuyển đổi nó thành
một mẫu để điều khiển 7 đoạn để hiển thị các chữ số từ 0 đến 9. Số thập phân được
mã hóa nhị phân (BCD) là một kiểu mã hóa trong đó mỗi chữ số của một số được
biểu diễn bằng chuỗi nhị phân của chính nó (thường là bốn bit).
Ví dụ: 239 trong BCD được biểu diễn là 0010 0011 1001.

Hình 2.1: 74LS47
2.1. SƠ ĐỒ CHÂN.
Số chân
1
2
3
4
13

Tên chân
B
C
Display test/ Lamp test
Blank input

Mô tả
Đầu vào BCD của IC
Đầu vào BCD của IC
Kiểm tra hiển thị LED
Tắt các LED hiển thị


5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

Store
D
A
GND
e
d
c
b
a

g
f
VCC

Lưu trữ hoặc nhấp nháp mã BCD
Đầu vào BCD của IC
Đầu vào BCD của IC
Chân nối đất
Đầu vào 1 LED 7 đoạn
Đầu vào 2 LED 7 đoạn
Đầu vào 3 LED 7 đoạn
Đầu vào 4 LED 7 đoạn
Đầu vào 5 LED 7 đoạn
Đầu vào 6 LED 7 đoạn
Đầu vào 7 LED 7 đoạn
Cấp nguồn

Hình 2.2: Các chân của 74LS47
2.2. CHỨC NĂNG CÁC CHÂN.
 Chân

số 1, 2, 6, 7 là đầu vào ứng với B, C, D, A
 Chân số 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 là các chân đầu ra, những chân này sẽ được
nối với led 7 thanh để điều khiển chúng.
 Chân số 8 là chân nối đất GND
14


 Chân

số 16 là chân cấp nguồn Vcc 5V, không cấp quá nguồn 5V để IC hoạt
động bình thường.
 Chân số 3 LT (Lamp Test) dùng để kiểm tra led 7 đoạn. Nếu chân số 3 nối
mass thì led sẽ sáng cùng lúc 7 đoạn. Chân này chỉ dùng để kiểm tra xem
led 7 thanh có bị hỏng đoạn nào hay không thôi.
 Chân số 4 BI/RB0 được nối với mức cao, nếu bị nối với mức thấp thì tồn
bộ đèn sẽ không sáng.
 Chân số 5 RBI nối với mức cao.
2.3. CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG.
- Có 4 chế độ hoạt động:
 Sáng bình thường đủ các trạng thái từ 0 ÷ 9 (thường dùng nhất). Chân
BI/RBO phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao, chân RBI phải bỏ trống hoặc
nối lên mức cao, chân LT phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao.
 Chân BI/RBO nối xuống mức thấp thì tất các các đoạn của LED đều khơng
sáng bất chấp trạng thái của các ngõ vào còn lại.
 Bỏ trạng thái số 0 (khi giá trị BCD tại ngõ vào bằng 0 thì tất cả các đoạn của
LED 7 đoạn đều tắt). Chân RBI ở mức thấp và chân BI/RBO phải bỏ trống
(và nó đóng vai trị là ngõ ra).
 Chân BI/RBO phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao và chân LT phải nối
xuống mức thấp. Tất cả các thanh của LED 7 đoạn đều sáng, bất chấp các
ngõ vào BCD. Dùng để Kiểm tra các đoạn của LED 7 đoạn (còn sáng hay đã
chết).

Số
0
1
2
3
15

LT RBI
1
1
1
X
1
X
1
X

Ngõ vào
D C
0
0
0
0
0
0
0
0

B
0
0
1
1

A
0
1

0
1

BI/RBO
1
1
1
1

a
0
1
0
0

b
0
0
0
0

Ngõ ra
c d e
0 0 0
0 1 1
1 0 0
0 0 1

f
0

1
1
1

g
1
1
0
0


4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

1
1
1
1
1
1

1
1
1
1
1
1

X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X

0
0
0
0
1
1
1
1
1
1

1
1

1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1

0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1

0

1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1

1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1

1
0
1
0
0

0
1
1
1
0
1
1

2.4. THÔNG SỐ KỸ THUẬT.
-

16

Chức năng: Bộ giải mã, bộ phân kênh.
Họ công nghệ tiên tiến: LS.
VCC: 4,75V – 5,25V.
Kênh : 1
Điện áp ( Nom ): 5V.
Tần số tối đa ở điện áp thông thường: 35Mhz.
Tpd ở điện áp thông thường ( tối đa ): 100nsec.
Cấu hình: 4:7.
Loại: Open-Collector.
IOL( tối đa): 3,2mA.
Ioh (tối đa ): -0,05mA.
Định mức: Catalog.
Phạm vi nhiệt hoạt động giải trí ( C ): 0 – 70.
Số bit: 7.
Rị rỉ ngng vào kỹ thuật số ( Tối đa ): 5uA.
ESD CDM (kV): 0,75.
ESD HBM (kV ): 2.

0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
1

0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1

1
0
0

1
0
1
0
0
1
0
0
1

1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1

0
0
0
1
0
0
1

1
0
0
0
1

0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1


CHƯƠNG 3.

GIỚI THIỆU LED 7 ĐOẠN.

3.1. CẤU TẠO.
Khái niệm:
- LED 7 đoạn là thiết bị hiển thị điện tử để hiển thị số. Khi mỗi đoạn chiếu
sáng thì một phần của chữ số sẽ được hiển thị. LED 7 đoạn được sử dụng
rộng rãi tỏng đồng hồ số, máy tính.

Hình 3.1: LED 7 đoạn
Cấu tạo:

17



LED 7 đoạn bao gồm 8 LED được kết nối song song để có thể thắp sáng
hiển thị số “0, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, A, b, C, d, E, F, …”.



Mỗi đoạn Led được đánh dấu từ A tới G.



Đoạn thứ tám gọi là “chấm thập phân” (Decimal Point) ký hiệu DP
được sử dụng khi hiển thị số không phải là số nguyên


Hình 3.2: Cấu tạo bên trong LED 7 đoạn

18


3.2. PHÂN LOẠI.
Dựa vào các cực được nối, có thể phân loại LED 7 đoạn như sau:


19

Loại dương chung (Common Anode): Trong màn hình hiển thị Anode
chung, tất cả các kết nối Anode của LED 7 thanh sẽ được nối với nhau ở
mức logic “1”, các phân đoạn LED riêng lẻ sẽ sáng bằng cách áp dụng
cho nó một tín hiệu logic “0” hoặc mức thấp “LOW” thông qua một điện
trở giới hạn dòng điện để giúp phù hợp với các cực Cathode với các đoạn
LED cụ thể từ a đến g.




Loại âm chung (Common Cathode): Trong màn hình Cathode chung thì
tất cả các cực Cathode cả các đèn LED được nối chung với nhau với mức
logic “0” hoặc nối Mass (Ground). Các chân còn lại là chân Anode sẽ
được nối với tín hiệu logic mức cao (HIGHT) hay mức logic 1 thơng qua
1 điện trở giới hạn dịng điện để có thể đưa điện áp vào phân cực ở Anode
từ a đến G để có thể hiển thị tùy ý.

Cấu tạo Led 7 đoạn:
Chân ngõ ra

20



LED 7 đoạn có 10 chân, trong đó 8 chân được nối với LED (A, B, C,
D, E, F, G, và DP).



Tùy vào loại LED 7 đoạn, hai chân giữa được đánh dấu COM hoặc dương
chung hoặc âm chung của các LED.