tính toán thiết kế hệ thu thập số liệu 8 kênh sử dụng họ vi điều khiển và truyền số liệu lên máy tính

ti:
Thit k mch thu thp s liu 8 kờnh s dng
h vi iu khin MCS 51
Bộ giáo dục và đào tạo
Tr ờng đại học bách khoa hà nội
- *** -
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Đồ án tốt nghiệp
NHIỆM VÔ
THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên ……………………………………………………………………………………………………….
Khoá ………………………… Khoa………………………………………………………………………
Ngành học………………………………………………………………………………………………………
1. Đầu đề thiết kế:
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
2. Các số liệu ban đầu :
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
3. Nội dung thuyết minh và tính toán:
………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
4. Các bản vẽ đồ thị ( ghi rõ các loại bản vẽ về kÝch thước các bản vẽ):
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
5. Cán bộ hướng dẫn:
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 2
ỏn tt nghip
Phn H tờn cỏn b.






6. Ngy giao nhim v thit k
7. Ngy hon thnh nhim v
Trng i Hc Bỏch Khoa H Ni trang 3
Ngày tháng năm
Chủ nhiệm bộ môn
(Ký, Ghi rõ họ tên)
Cán bộ h ớng dẫn
(Ký, Ghi rõ họ tên)

Học sinh đã hoàn thành
(và nộp toàn bộ bản thiết kế cho Khoa)
Ngày tháng năm
(Ký, Ghi rõ họ tên)
Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật đặc biệt là trong ngành
điện tử trong việc chế tạo các vi mạch điện tử, mạch vi xử lý đã tạo một bước
ngoặt quan trọng đối với sự phát triển của khoa học.
Việc phát triển công nghiệp hoá, hiện đại hoá là nhiệm vụ quan trọng hàng
đầu đối với bất kỳ một quốc gia nào trong việc xây dựng và phát triển đất nước.
Việc ứng dụng các thiết bị đo và hệ thống đo lường có sử dụng vi điện tử, vi xử
lý và máy tính ngày càng có hiệu quả. Có thể tạo ra các hệ thống thông minh từ
các bộ µP, µC. Điều này cho phép các kỹ sư đo lường và tin học công nghiệp có
trong tay một công cụ mạnh để thu thập và xử lý thông tin, điều khiển tự động
các quá trình sản xuất. Một hệ vi xử lý tối đa không có giới hạn về số lượng
thành phần, chức năng thực hiện và quy mô ứng dụng. Vấn đề đặt ra đối với một
thiết kế là tổ chức phần cứng phải tối thiểu thành phần nhằm tăng tốc độ, giảm
giá thành và tăng độ tin cậy. Phải xây dựng được phần mềm điều khiển thật tối
ưu nhằm tăng khả năng linh hoạt và mềm dẻo trong xử lý, gia công và biến đổi
tín hiệu mà hệ phải thực hiện.
Trong thời gian thực tập vừa qua em được giao đề tài "Tính toán thiết kế
hệ thu thập số liệu 8 kênh sử dụng họ vi điều khiển và truyền số liệu lên
máy tính"
Được sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, các cán bộ nơi
thực tập và tạo điều kiện thuận lợi của bộ môn cùng với sự nỗ lực của bản thân
em đã làm được một số phần của bản đồ án. Em rất mong được sự chỉ dẫn thêm
của các thầy để em có thể hoàn thiện bản đồ án này.
Nội dung đồ án gồm những phần sau:
Phần I: NHIỆM VỤ THƯ

Phần II: CƠ SỞ KIẾN THỨC
Chương I : các phương pháp đo một số đại lượng không điện
Chương II : Họ vi điều khiển MCS – 51
Chương III : Giới thiệu về một số linh kiện cần dùng.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 4
Đồ án tốt nghiệp
PHẦN III : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ.
Phần i
Nhiệm vụ thư
Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc áp dụng những
thành tựu khoa học vào trong đời sống và sản xuất ngày càng nhiều. Hiện nay
trong các nhà máy xí nghiệp việc tự động hoá các quá trình sản xuất, tự động
hoá các thiết bị điều khiển là một vấn đề hết sức quan trọng. Trong các thiết bị
tự động muốn điều khiển một quá trình nào đó một cách tối ưu thì nhất thiết phải
có các thiết bị đo, chính nhờ các thiết bị đo người ta có thể kiểm soát được các
thông số của hệ thống mà từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển nhằm làm cho hệ
thống hoạt động ổn định.
Trước đây khi ngành vật liệu chưa tìm ra các vật liệu mới, thì các dụng cụ
đo thường được làm bằng cơ có độ chính xác không cao, dải đo hẹp, không làm
việc được trong các môi trường đòi hỏi độ bền cơ học cao. Khi ngành vật liệu
tìm ra được các vật liệu mới, công nghệ chế tạo phát triển đã có thể tạo ra các
thiết bị đo thông minh, có độ chính cao, làm việc được trong các môi trường
khắc nghiệt như : đo nhiệt độ lò nung, đo nồng độ các chất hoá học, đo áp suất
cao …. Nhờ các thiết bị đo thông minh này người ta có thể kiểm soát các thông
số của hệ thống một cách chặt chẽ.
Khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển việc đo không chỉ là biết giá
trị của đại lượng cần đo mà những giá trị này còn là những thông tin cần được
lưu trữ và được xử lý. Để cho quá trình thu thập các thông tin đo một cách tự
động hiện nay người ta gắn vào các thiết bị đo các bộ vi điều khiển nhằm điều
khiển các quá trình đo, xử lý và truyền dữ liệu lên máy tính hoặc đưa sang các hệ

thống khác.
Theo như yêu cầu của bài toán đặt ra là xây dưng một hệ thống đo, thu
thập nhiệt độ trên tua bin của máy phát điện. Với 8 kênh đo nhiệt độ ở những vị
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 5
Đồ án tốt nghiệp
trí khác nhau và những dải nhiệt độ khác nhau thì việc sử dụng một bộ vi điều
khiển nào để điều khiển trong hệ là một điều cần thiết vì nó ảnh hưởng trực tiếp
đến tốc độ xử lý của hệ thống. Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều họ vi điều
khiển như : MCS - 51, 68HC11, PIC, AVR… vì vậy việc lựa chọn một bộ vi
điều khiển cho hệ thống cần phải có giá thành rẻ nhưng vẫn đáp ứng được yêu
cầu của bài toán tối ưu. Ở đây ta sử dụng bộ vi điều khiển 8051 là đủ để điều
khiển hệ thống hoạt động tốt.
Trong hệ thống đo ngoài bộ vi điều khiển 8051 ta còn sử dụng các vi
mạch điện tử và các thiết bị khác như : Mạch chuyển đổi tương tự - sè 12 bit
ICL7109 có độ chính xác cao, mạch giải mã địa chỉ 74LS138, mạch dồn kênh
HEF4051, các cổng logic (AND) các phần tử cơ bản (điện trở, điện dung, tinh
thể thạch anh), các IC thuật toán, các thiết bị cảm biến, cổng truyền tin theo
chuẩn RS232…
Từ các thiết bị trên ta có thể xây dựng một hệ đo và thu thập số liệu với
phần tử trung tâm là bộ vi điều khiển 8051 để điều khiển hoạt động của cả mạch.
Trong hệ thống này mọi hoạt động của hệ đều do bé vi điều khiển quản lý từ
việc ra lệnh cho thiết bị đo lấy số liệu đến việc truyền và xử lý các số liệu này
Số liệu đo được từ sensor được đưa qua bộ chuẩn hoá để chuẩn hóa tín
hiệu. Tín hiệu tương tự này được đưa qua bé chuyển đổi tương tự - sè (ADC) để
chuyển đổi thành tín hiệu số và đưa vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ đọc số
liệu này, nhân chia số liệu và đưa ra hiển thị trên LED đồng thời gửi số liệu đó
lên máy tính để lưu trữ.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 6
Đồ án tốt nghiệp
Phần II

Cơ sở kiến thức
Chương I
các phương pháp đo nhiệt độ
I. Khái quát.
Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong những đại lượng
được quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều
tính chất của vật chất. Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm
thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu sự thay đổi của nó. Bởi vậy trong
nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày việc đo
nhiệt độ là điều rất cần thiết.
Đối với việc đo nhiệt độ lại có rất nhiều phương pháp đo khác nhau.
Trong đó có một số phương pháp đo chính sau:
- Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt độ do dao
động nhiệt (Hiệu ứng Doppler)
- Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất
khí (Với áp suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm.
- Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu
ứng Seebeck hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 7
Đồ án tốt nghiệp
Người ta thường chia làm 3 dải nhiệt độ đo: nhiệt độ thấp, trung bình và
cao.
Dải nhiệt độ thấp từ -273
0
C ÷ 1000
0
C . Nó thường được đo bằng các
dụng cụ nh nhiệt điện trở, bán dẫn, phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân.
Dải nhiệt độ trung bình từ 1000
0

C ÷ 3000
0
C. Nó thường được đo bằng
các dụng chụ được chế tạo từ các vật liệu có độ chịu nhiệt cao, hoả quang kế,
bức xạ và phương pháp cường độ sáng.
Dải nhiệt độ cao từ 3000
0
C ÷ 100.000
0
C. Đây là dải nhiệt độ đòi hỏi các
thiết bị đo phải có độ chịu nhiệt tốt nhưng có độ chính xác chỉ cần tương đối.
Thông thường ta dùng hoả quang kế màu sắc và phổ quang kế.
Để đo nhiệt độ người ta chia làm 2 loại phương pháp đo: Phương pháp đo
tiếp xúc và phương pháp đo không tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc thường
dùng với dải nhiệt độ thấp và trung bình còn phương pháp đo không tiếp xúc
dùng với dải nhiệt độ cao.
Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ một số các dụng cụ đo nh:
+ cặp nhiệt điện.
+ Nhiệt điện trở kim loại.
+ Nhiệt điện trở bán dẫn.
+ Cảm biến thạch anh.
+ Các IC cảm biến nhiệt.
II. Các phương pháp đo nhiệt độ:
a. Cặp nhiệt điện:
Cấu tạo: cặp nhiệt điện được cấu tạo từ 2 hai thanh kim loại khác nhau nối
chung một đầu lại với nhau. Suất điện động E trên 2 đầu ra phụ thuộc vào bản
chất vật liệu của dây dẫn a, b và phụ thuộc vào nhịêt độ t1, t2.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 8
t
1

t
2
b a
H×nh1.1: cÆp nhiÖt
®iÖn
Đồ án tốt nghiệp
- Nguyên lý làm việc: Cặp nhiệt điện làm việc dựa trên hiện tượng nhiệt
điện. Nếu hai dây dẫn khác nhau nối nlại với nhau tại hai điểm và một trong hai
điểm đó được đốt nóng thì trong mạch đó xuất hiện một dòng điện gây bởi sức
điện động gọi là sức điện động nhiệt điện.
Khi t
1
=t
2
thì Va=Vb dẫn đến Uab = 0, E
T
= 0
Khi t
1
≠ t
2
thì Va ≠ Vb lúc đó E
T
= f(t
1
) – f(t
2
).
Nếu t
2

= const thì E
T
= f(t
1
) + C
- Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo cặp nhiệt điện:
+ độ dẫn điện tốt và phải có trị số sức điện động lớn.
+ Suất điện động nhiệt điện phải lớn.
+ Độ bền hóa học và cơ học với nhiệt độ phải cao.
+ Điện dẫn lớn và hệ sô nhiệt độ của điện trở bé.
+ Tính chất nhiệt điện không thay đổi
+ Quan hệ giữa sức điện động E
T
và nhiệt độ T phải là hàm đơn trị
+ Cấu tạo và thành phần kim loại phải ổn định, đồng nhất.
Việc sử dụng cặp nhiệt độ có nhiều lợi thế: Kích thước cặp nhiệt độ nhỏ
nên có thể đo được nhiệt độ của từng điểm của đối tượng nghiên cứu. Cặp nhiệt
độ cung cấp suất điện động nên khi đo không cần có dòng điện chạy qua và do
vậy không có hiệu ứng đốt nóng.
Tuy nhiên nó cũng có một số điểm bất lợi: Phải biết trước nhiệt độ so
sánh T
ref
và do vậy sai số của T
ref
gây nên sai số. Suất điện động của cặp nhiệt
điện trong dải nhiệt độ rộng là hàm không tuyến tính của T
c
. Bảng sau đây giới
thiệu một sô loại cặp nhiệt điện thông dụng:
Tên cặp nhiệt điện

Giới hạn nhiệt độ trên
O
C
Sức điện động
nhiệt điện với
100
O
C : mV
Đo
lâu dài
Đo
ngắn hạn
Platin-platin Rôdi (90%Pt, 10% Rh) 1300 1750 0,64
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 9
Đồ án tốt nghiệp
Crômmel (90%Ni +10% Cr)-
Alumel (95%Ni + 5% Al)
Crômmel-Côpen (56% Cu + 44%Ni)
Đồng - Côpen
Đồng - Constantan
Vonfram (5%reni)- Vonfram (5%reni)
900
600
350
350
1800
1300
800
500
500

200
4,10
6,95
4,75
4,15
1,33
Bảng1.1 : Mét số cặp nhiệt điện.
- Độ nhạy nhiệt của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ T
C
được xác định theo biểu
thức sau:
dTc
dE
)Tc(s
B/A
=
Trong đó S là hàm của nhiệt độ và có đơn vị là µV/
O
C.
- Nguyên nhân chủ yếu gây sai số đối với cặp nhiệt điện.
Sai sè do nhiệt độ đầu tự do thay đổi. Khi khắc độ thì đầu tự do được đặt
ở nhiệt độ 0
0
C nhưng trong thực tế đầu tự do đặt trong môi trường có nhiệt độ
khác 0.
Sai sè do sù thay đổi điện trở của đường dây.
Sai sè do đặt cặp nhiệt điện không đúng vị trí cần đo, không đúng hướng
và diện tích tiếp xúc của cặp nhiệt vơi đối tượng đo quá nhỏ.
b.Nhiệt điện trở:
Nhiệt điện trở là chuyển đổi có điện trở thay đổi theo nhiệt độ tác động

vào nó. Tùy theo tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chạy quanhiệt điện trở
mà người ta phân ra: nhiệt điện trở đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng.
Trong nhiệt điện trở không đốt nóng dòng điện chạy qua rất nhỏ không
làm tăng (hoặc tăng rất Ýt) nhiệt độ của điện trở và nhiệt độ của nó bằng nhiệt
độ mội trường cần đo.
Nhiệt điện trở đốt nóng thì dòng điện chạy qua rất lớn làm nhiệt độ của nó
tăng lên cao hơn nhiệt độ cần đo nên có sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh.
Yêu cầu đối với vật liệu là có hệ số nhiệt độ lớn, có độ bền hóa học khi có tác
dụng của môi trường, khó chảy.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 10
Đồ án tốt nghiệp
b.1. Nhiệt điện trở dây.
Chuyển đổi nhiệt điện trở dây thông thường được chế tạo từ đồng, platin
và Niken đường kính dây từ 0,02 ÷ 0,06 mm với chiều dài từ 5 ÷ 20 mm.
- Nhiệt điện trở đồng
Dải nhiệt độ làm việc : -50 ÷ 180
0
C .
Phương trình đặc trưng: R
T
=R
0
(1 + αt)
α: Hệ số nhiệt độ của điện trở. α=4,3.10
-3
1/
0
C trong khoảng 0÷100
0
C

t : Nhiệt độ.
R
0
: Điện trở chuyển đổi ở 0
0
C.
Nếu không biết giá trị của R
0
thì ta có thể dùng công thức:
R
T2
= R
T1
(τ - t
2
)/(τ + t
1
)
R
T2
, R
T1
là điện trở ứng với nhiệt độ T
2
và T
1
τ = 1/α là hằng số phụ thuộc vào từng loại vật liệu. τ = 234 đối với đồng.
- Nhiệt điện trở Platin.
Platin có thể chịu được đến nhiệt độ 1200
0

C mà không bị ô xi hóa hoặc
nóng chảy.
Phương trình đặc trưng: R
T
=R
0
(1 + At + Bt
2
) ở nhiệt độ 0
0
C÷ 660
0
C.
R
T
=R
0
(1 + At + Bt
2
+C(t – 100)
3
) ở nhiệt độ -180
0
C ÷ 0
0
C
R
0
: Điện trở ở 0
0

C
A, B, C là các hằng số.
Đặc tính của nó có dạng phi tuyến. Với nhiệt độ lớn hơn 660
0
C và nhỏ
hơn -180
0
C quan hệ R
T
= f(t) được cho dưới dạng bảng.
- nhiệt điện trở Niken.
Niken có thể sử dụng để đo đến nhiệt độ: 300
0
C. ở nhiệt độ cao hơn thì
quan hệ R
T
= f(t) không đơn trị.
Khi t = 0
0
C ÷ 100
0
C thì hệ số α=5.10
-3
1/
0
C
ưu điểm cơ bản của nó là có điện trở suất cao, hệ số nhiệt lớn cho phép
chế tạo được các chuyển đổi có kích thước nhỏ.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 11
Đồ án tốt nghiệp

b.2 nhiệt điện trở bán dẫn.
Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ một số ôxit kim loại khác nhau nh
CuO, MnO …. Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở được biểu diễn dưới dạng biểu
thức:
R
T
= A.e
β
/T
.
Trong đó:
A: Hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn, kích
thước và hình dáng của nhiệt điện trở.
β: Hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn.
T: Nhiệt độ tuyệt đối
e: Cơ số logarit tự nhiên.
Hệ số nhiệt độ α của chất bán dẫn mang dấu âm và có giá trị 0,02 ÷ 0,08
1/
O
C. điện trở suất lớn do đó kích thước nhỏ.
α = - β/T
2

Cấu tạo của nhiệt điện trở bán dẫn có thể ở dạng thanh, dạng đĩa và dạng
hình cầu.
 Sai số của nhiệt kế nhiệt điện trở chủ yéu là do sù thay đổi điện trở đường
dây khi nhiệt độ môi trường thay đổi. điện trở đường dây có thể đạt tới 5Ω trong
khi đó điện trở của nhiệt điện trở thường vào khoảng 40Ω ÷ 100Ω do đó khi điện
trở đường dây thay đổi sẽ gây ra mét sai số đáng kể. Ngoài ra dòng điện chạy
qua nhiệt điện trở gây nóng cũng làm cho điện trở tăng gây sai sè.

 ứng của chuyển đổi nhiệt điện trở dùng để đo nhiệt độ, đo các đại lượng
không điện nh đo di chuyển, đo áp suất và dùng để phân tích thành phần, nồng
độ của một số hợp chất và chất khí.
c.Các IC đo nhiệt độ
IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành
tiná hiệu điện dưới dạng điện áp. dựa vào đặc tính rất nhạy cảm của bán dẫn với
nhiệt độ để tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín
hiệu điện ta biết được giá tri của nhiệt độ cần đo. Sau đây là thông số của một số
loại IC dùng để đo nhiệt độ
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 12
Đồ án tốt nghiệp
+ LM135/ LM335
Các thông số kỹ thuật:
Dòng cho phép 400uA ÷ 5 mA.
Điện trở động 1 Ω.
Nhiệt độ cho phép : 100
0
C.
Mức điện áp thay đổi: 10mV/
0
K
+ AD590
Đầu ra là dòng điện
độ nhạy 1A/
O
K.
Độ chính xác +4
O
C.
Nguồn cung cấp V

CC
= 4 ÷ 30 V
Khoảng nhiệt độ đo được -55
O
C ÷ 150
O
C.
+ Lx5700
Đầu ra là điện áp
độ nhạy 10mV/
O
K.
Khoảng nhiệt độ đo được -55
O
C ÷ 150
O
C.

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 13
Đồ án tốt nghiệp
Chương II
Họ vi điều khiển MCS-51
II.1 Giới thiệu họ họ vi điều khiển MCS-51
Họ vi điều khiển MCS-51 là họ vi điều khiển 8 bit được sử dụng phổ biến
nhất của hãng Intel trên thị trường thế giới.Sau đây là bảng tổng kết về kiến trúc
phần cứng của một số bộ vi điều khiển họ MCS-51
Tên
gọi
Công
nghệ

ROM
trong
ROM
ngoài
RAM
trong
RAM
ngoài
Timer
Counte
r
8031 NMOS
Không
có
64
KByte
128
Byte
64
KByte
2
8051 NMOS
4
Kbyte
64
KByte
128
Byte
64
KByte

2
8751 NMOS
4
Kbyte
64
KByte
128
Byte
64
KByte
2
8032 NMOS
Không
có
64
KByte
256
Byte
64
KByte
3
8052 NMOS
8
Kbyte
64
KByte
256
Byte
64
KByte

3
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 14
Đồ án tốt nghiệp
80C3
1
CMOS
Không
có
64
KByte
128
Byte
64
KByte
2
80C5
1
CMOS
4
Kbyte
64
KByte
128
Byte
64
KByte
2
Phần lớn các vi điều khiển trong họ MCS-51 được đóng vỏ theo kiểu 2
hàng (PDIP) với tổng cộng 40 chân, một số khác được đóng vỏ theo kiểu hình
vuông với 44 chân. Chip 8051 có các đặc trưng sau:

• 4 KB EPROM bên trong.
• 128 Byte RAM nội.
• 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit.
• Giao tiếp nối tiếp.
• 64 KB vùng nhớ mã ngoài
• 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại.
• Xử lý bit (thao tác trên từng bit riêng rẽ).
• 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit.
• 4µs cho hoạt động nhân hoặc chia.
Ngoài ra nó còn được thiết kế với logic tĩnh cho phép hoạt động có tần số
giảm suống 0 và hỗ trợ 2 chế độ tiết kiệm năng lượng được lựa chọn bằng phần
mềm.
Chế độ nghỉ dừng CPU trong khi vẫn cho phép Ram và các bộ định thời,
đếm, cổng nối tiếp và các hệ thống ngắt tiếp tục hoạt động.
Chế độ nguồn giảm duy trì nội dung của Ram nhưng không cho mạch dao
động cung cấp xung clock nhằm vô hiệu hóa các hoạt động của chip cho đến khi
có reset cứng tiếp theo.
Sau đây là 3 loại cấu hình chân ra của IC 8051
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 15
S¬ ®å ch©n cña 8051
Đồ án tốt nghiệp
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 16
Đồ án tốt nghiệp
II.2 Cấu trúc phần cứng họ vi điều khiển MCS-51
Khối xử lý trung tâm
 Thanh ghi chứa Acc
 Thanh ghi chứa phụ B
 Ram trong
 Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer ) còng nh con trỏ dữ liệu để định địa
chỉ bộ nhớ ngoài.

 Bộ đếm chương trình PC (Program Counter).
 Bộ giải mã lệnh
 Bộ điều khiển thời gian và logic
 Thanh ghi đặc biệt SFR(Special Function Register).
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 17
Đồ án tốt nghiệp
 Thanh ghi số liệu
 Thanh ghi từ trạng thái PSW.
 Hai bộ địng thời/ bộ đếm (Timer/Counter ) với các chế độ hoạt động
khác nhau để giúp việc định thời gian hay đếm các sự kiện, định tốc độ
Baud cho cổng nối tiếp.
 Một cổng nối tiếp bao gồm: giao diện truyền tin nối tiếp SCI có khả năng
phát hay nhận một byte thông tin theo cách truyền tuần tự từng bit. Giao
diện giao tiếp nối tiếp với thiết bị ngoại vi SPI, truyền tin nối tiếp với
thiết bị ngoại vi
 Có 4 cổng vào/ra song song.
 Hệ thống điêug khiển ngắt với 5 nguồn ngắt
Bảng tóm tắt các chân và chức năng của nó
Số
chân(Pin)
Ký hiệu Chức năng
1÷8
P1.0 ÷
P1.7
Cổng vào / ra(port1)
9 Reset Lối vào reset tích cực mức cao
10÷17
P3.0 ÷
P3.7
Cổng vào/ra (Port 3) và tất cả các đường dẫn

với chức năng đặc biệt
18 XTAL2 Lối vào của bộ dao động thạch anh bên trong
19 XTAL1 Lối vào của bộ dao động thạch anh bên trong
20
V
ss
Chân nối đất (0v)
21÷28
P2.0 ÷
P2.7
Cổng vào ra 2 và các đường địa chỉ cao từ
A8÷A15
29
PSEN
Dùng cho bộ nhớ chương trình ngoài
30 ALE Cho phép chốt địa chỉ
31
EA
Để làm việc với ROM trong hay ROM ngoài
32÷39 P0.0÷P0.7
Cổng vào/ra 0 và các đường địa chỉ thấp
A0÷A7
40 V
CC
Chân cấp nguồn (+5v)
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 18
Đồ án tốt nghiệp
II.3 Mô tả các chân
Họ vi điều khiển 8051 theo kiểu PDIP có tổng cộng 40 chân trong đó có 4
cổng vào ra song song: Cổng 0 (P0), cổng 1 (P1), cổng 2 (P2), cổng 3 (P3), các

chân cấp nguồn và các chân điều khiển các thiết bị ngoại vi khác.
 Port 0:
Port 0 (các chân 32 ÷ 39 của 8951) là cổng có 2 công dông. Trong các
thiết kế nhỏ không dùng bộ nhớ ngoài thì nó có chức năng như các đường
vào/ra. Đối với các thiết kế lớn cần phải có bộ nhớ ngoài, cổng này trở thành bus
địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp.
 Port 1:
Port 1(các chân 1 ÷ 8 của 8951) chỉ có tác dụng xuất/nhập. Các chân được
ký hiệu P1.0, P1.1, p1.2, p1.7 có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài
nếu cần. Port 1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao
tiếp với các thiết bị ngoại vi.
 Port 2:
Port 2 (các chân 21 ÷ 28 của 8951) là cổng có 2 công dụng, chúng được
dùng như các đường xuất/nhập hoặc là byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16 bit
cho các thiết kế có bộ nhớ chương trình ngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn256
byte bộ nhớ dữ liệu ngoài.
 Port 3:
Port 3 (các chân 10 ÷ 17 của 8951) là cổng có 2 công dụng. Khi không hoạt
động xuất/nhập thì các chân của cổng 3 có nhiều chức năng riêng riêng biệt.
Bảng dưới đây liệt kê các chức năng của từng chân của cổng 3 :
Bit Tên Địa chỉ Chức năng chuyển đổi
P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của cổng nối tiếp
P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của cổng nối tiếp
P3.2 INT0 B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0
P3.3 INT1 B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1
P3.4 T0 B4H Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 0.
P3.5 T1 B5H Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 1.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 19
Đồ án tốt nghiệp
P3.6 WR B6H Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 RD B7H Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài
 Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN.
8051 cung cấp cho ta 4 tín hiệu điều khiển Bus. Tín hiệu cho phép bộ nhớ
chương trình
PSEN
là tín hiệu đưa ra trên chân 29. đây là tín hiệu điều khiển
cho phép ta truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài. Chân này thường nối với chân
cho phép xuất
OE
(Output Enable) của Epprom (hoặc Rom) để cho phép đọc
các byte lệnh.
Tín hiệu
PSEN
ở mức logic 0 trong suốt thời gian tìm nạp lệnh. Các mã
nhị phân của chương trình hay mã lệnh được đọc từ Eprom qua bus dữ liệu và
được chốt vào thanh ghi lệnh IR để được giải mã. Khi thực thi chương trình chứa
ở ROM nội,
PSEN
được duy trì ở mức không tích cực ( Mức 1).
 Chân cho phép chốt địa chỉ ALE.
8051 sử dụng chân 30, chân xuất tín hiệu cho phép chốt địa chỉ ALE
(Address Latch Enable) để giải đa hợp bus dữ liệu và bus địa chỉ. Tín hiệu ALE
có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động bên trong và có thể dùng làm xung
clock cho phần còn lại của hệ thống. Nếu mạch dao động có tần số 12MHz, tín
hiệu ALE có tần số 2 MHz. Chân ALE còn được dùng để nhận xung ngõ vào lập
trình cho EPROM trên chip 8051.
 Chân truy xuất ngoài
EA
.
Ngõ vào này có thể được nối với 5V (logic 1) hoặc GND (logic 0). Nếu

chân này nối lên 5 V, 8051/8052 thực thi chương trình trong ROM nội. Nếu
chân này nối với GND (và PSEN cũng ở mức logic 0) thì chương trình cần thực
thi chứa ở bộ nhớ ngoài. Nếu chân ở logic 0 đối với 8051/8052, ROM nội bên
trong chip bị vô hiệu hóa và chương trình thực thi chứa ở ROM ngoài. đối với
những loại không có ROM trong thì chân phải ở mức logic 0.
 Chân Reset
Chân vào RST (chân 9) là ngõ vào reset của 8051 dùng để thiết lập lại
trạng thái ban đầu của hệ thống. Khi ngõ vào này được treo ở 1 tối thiểu 2 chu
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 20
Đồ án tốt nghiệp
kỳ máy thì các thanh ghi bên trong được nạp giá trị thích hợp cho việc nạp lại hệ
thống.
II.4. Cách tổ chức và truy cập bộ nhớ của 8051.
Bộ nhớ của 8051 nói riêng và họ MCS – 51 nói chung có khả năng định
địa chỉ cho ô nhớ dữ liệu và ô nhớ chương trình đến 64 Kbytes và được chia làm
2 vùng bộ nhớ riêng biệt: Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 21

=0

External

=1
Internal
PSEN
0FFFH
0000H
FFFFH
FFH

00H
Internal
Exterrnal
FFFFH
RD
WR
Program Memory ( Read only) Data Memory ( Read/Write)
Đồ án tốt nghiệp
2.4.1 Bộ nhớ chương trình.
Bé vi điều khiển 8051 có thể định dịa chỉ bộ nhớ chương trình tới 64
Kbyte, bao gồm bộ nhớ ROM trong kích thước 4 Kbyte và bộ nhớ ROM ngoài
kích thước 64 Kbyte. Nếu bộ vi điều khiển dùng ROM trong thì chân (External
Access) phải được treo cao, lúc này 4Kbyte ROM trong được coi là miền địa chỉ
thấp, miền địa chỉ còn lại do ROM ngoài quản lý. Nếu chương trình đọc địa chỉ
000H đến 0FFFH thì sẽ đọc trực tiếp từ ROM trong, còn lại địa chỉ 1000H đến
FFFFH là đọc từ ROM ngoài. Ta phải sử dụng 16 bit địa chỉ để truy cập bộ nhớ
chương trình ngoài. Bộ vi điều khiển có thể dùng toàn bộ bộ nhớ ROM ngoài
64Kbyte, lúc này thì chân được nối với đất (0V) và tất cả chương trình được đọc
từ ROM ngoài. Khi đọc bộ nhớ chương trình bên ngoài thì chân (Program
Strobe Enable) đưa ra các xung đọc dùng cho bộ nhớ chương trình bên ngoài.
Do vậy tín hiệu chỉ có tác dụng đối với ROM ngoài còn đối với ROM trong thì
chân này không có tác dụng. Sau khi Reset CPU bắt đầu thực hiện từ địa chỉ
0000H, tiếp theo là đến vùng đặt các ngắt của CPU từ địa chỉ 0003H đến 0023H.
Việc sử dụng ROM trong ( đối với những loại có ROM trong) và ROM ngoài
(đối với những hệ thống đòi hỏi phải mở rộng bộ nhớ) bằng cách sủ dụng chân
để điều khiển.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 22
8051
EPROM
Port 0

Port 0 D0-D7
EA
74HC373
ALE
Port 2
PSEN
A8-A15
OE
O
G
D
S¬ ®å ghÐp nèi vi xö lý víi ROM ngoµi
Đồ án tốt nghiệp
• Khi chân nối với Vcc.
Đối với những loại có ROM trong 4KByte nh 8051 thì chương trình thực
hiện từ địa chỉ 0000H đến 0FFFH của ROM trong sau đó tiếp tục từ địa chỉ
1000H đến FFFFH của ROM ngoài.
Đối với những loại có ROM trong 8KByte nh 8051 thì chương trình thực
hiện từ địa chỉ 0000H đến 1FFFH của ROM trong sau đó tiếp tục từ địa chỉ
2000H đến FFFFH của ROM ngoài.
Đối với những loại có ROM trong 16KByte nh 8051 thì chương trình thực
hiện từ địa chỉ 0000H đến 3FFFH của ROM trong sau đó tiếp tục từ địa chỉ
4000H đến FFFFH của ROM ngoài.
• Khi chân nối với Vss.
Khi chân nối với Vss thì lúc này CPU sẽ làm việc toàn bộ đối với ROM
ngoài. Do vậy đối với những loại không có ROM trong thì chân
EA
bắt buộc
phải được nối với Vss.
Trong khi truy cập bộ nhớ chương trình ngoài thì nó sẽ đưa 0FFH tới bộ

chốt của cổng 0. Nh vậy nó có thể xoá bất cứ thông tin nào tại cổng 0 mà SFR
có thể còn đang giữ nên việc viết ra cổng 0 trong khi đang truy cập bộ nhơ ngoài
sẽ bị sai. Vì vậy ta không được viết ra cổng 0 khi bộ nhớ chương trình ngoài
đang đựoc sử dụng. Hai điều kiện để truy nhập bộ nhớ chương trình ngoài là:
- Khi chân tín hiệu
EA
tích cực
- Bộ đếm chương trình có nội dung lớn hơn 0FFFH (1FFFH đối với loại
8052).
2.4.2 Bộ nhớ dữ liệu.
Bộ nhớ dữ liệu RAM nếu có địa chỉ là 8 bit thì cho phép CPU 8 bit thao
tác nhanh hơn. Nếu địa chỉ là 16 bit thì có thể truy cập được thông qua thanh ghi
DPTR (Data Pointer ). Với 8051 có 128 byte RAM trong và có thể ghép với
64KByte RAM ngoài. Trong suốt quá trình CPU truy cập tới bộ nhớ dữ liệu sẽ
phát tín hiệu đọc /RD và tín hiệu ghi /WR. Nửa thấp của 128 Bytes RAM trong
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 23
Đồ án tốt nghiệp
từ 00H đến 7FH có thể truy cập trực tiếp hoặc gián tiếp, trong khi nửa cao của
nó tù 80H đênFH chỉ có thể truy cập băng chế độ địa chỉ gián tiếp.
Đối với 128 byte RAM trong, bao gồm:
-32 byte thấp nhất là 4 nhóm trong bank thanh ghi. Mỗi bank bao gồm 8
thanh ghi R0 ÷ R7. Khi sử dụng các thanh ghi trong bank thanh ghi nào đó là do
2 bit RS0, RS1 trong thanh ghi từ trạng thái PSW quy định.
-16 byte tiếp theo trong vùng 20H ÷ 2FH là vùng RAM định địa chỉ bit.
Trong vùng này có 128 bit, bit 0 của byte 20H là 0 và bit 7 của byte 2FH có địa
chỉ là 7FH.
II.5 hoạt động reset
8051 được reset bằng cách giữ chân RTS ở mức cao tối thiểu 2 chu kỳ
máy và sau đó chuyển về mức thấp. RTS có thể được tác động bằng tay hoặc
được tác động khi cấp nguồn bằng cách dùng mạch RC nh hình dưới.

Sau khi reset thanh ghi PC được nạp 0000H. Khi RTS trở lại mức thấp,
việc thực thi chương trình luôn luôn bắt đầu tại vị trí đầu tiên trong bộ nhớ
chương trình. Nội dung của Ram trên chip không bị ảnh hưởng bởi hoạt động
Reset.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 24
0
8 . 2 K
1 0 u F
R S T
+ 5 V
H I
100
10uF
+5V +5V
8.2KOhm
RST
RESET
Reset b»ng tay Reset khi cÊp nguån
H×nh : Hai m¹ch dïng Reset hÖ thèng
Đồ án tốt nghiệp
Trạng thái của tất cả các thanh ghi cho dưới bảng dưới đây:
Thanh ghi Nội dung
Bộ đếm chương trình
Thanh chứa A
Thanh chứa B
Thanh ghi thái PSW
SP
DPRT
Port 0 ÷ 3
IP

IE
Các thanh ghi định thời
SCON
SBUF
PCON (HMOS)
PCON (CMOS)
0000H
00H
00H
00H
07H
0000H
FFH
xxx00000B (8031/8051)
xx000000B (8032/8052)
0xx00000B (8031/8051)
0x000000B (8032/8052)
00H
00H
00H
0xxx xxxxH
0xxx 0000 B
II.2.6 Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR
S
)
SFR
S
bao gồm các thanh ghi có các chức năng đặc biệt khác nhau nh
thanh ghi điều khiển Timer, thanh ghi điều khiển cổng nối tiếp, thanh ghi điều
khiển ngắt…. SFR

S
có địa chỉ từ 80H đến FFH.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 25
B¶ng : Gi¸ trÞ cña c¸c thanh ghi sau khi reset hÖ thèng