Thiết kế đồng hồ thời gian thực

Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
--------------------------------------------------------------------------------------------
Trang 1
Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
Nội dung thiết kế:
Chương I : Giới Thiệu Chung.
Chương II : Các linh kiện chính được sử dụng trong mạch.
Chương III:Các khối mạch cần sử dụng và sơ đồ mạch hoàn chỉnh.
Chương IV: Chương trình phần mềm.
Chương V : Tổng kết.
Lời nói đầu
Ngày nay nhân loại đang trải qua những sự phát triển vượt về mọi mặt.Trong đó điện tử,
tự động hoá đóng một vai trò không nhỏ. Điện tử góp phần vào quá trình tự động hoá mọi
thứ giúp con người hiện đại hoá cuộc sống.
Vận dụng những kiến thức đã được học trong quá trình học tập ở trường nhóm em thực
hiện đồ án I này. Đồ án này được áp dụng chủ yếu dựa vào vi điều khiển. Mà thực tế là IC
ATMEGA16, nhằm mục đích giúp em hiểu một cách tường tận hơn về những gì về vi điều
khiển, cách đọc, viết va nhận biết về các chân IC mà em đã được học từ thầy cô trong
trường, tìm hiểu và nghiên cứu qua sách cũng như cách thức vận dụng nó trong thực tế.
Trong thực tế, các ứng dụng của vi điều khiển rất đa dạng và phong phú.Từ những ứng
dụng đơn giản chỉ có vài thiết bị ngoại vi cho đến những hệ thống điều khiển phức tạp
.Tuy nhiên do pham vi trình độ của em còn hạn chế, nên việc nghiên cứu và tìm hiểu về vi
điều khiển còn nhiều điều chưa biết. Trong bài viết của em, em xin giới thiêu ứng dụng IC
ATMEGA16 để hiển thị bộ đếm GIỜ-PHÚT-GIÂY trên 6 Led 7thanh.
Tuy nhiên trong quá trình viêt do trình độ hiểu biết của chúng em còn hạn chế, nên còn
xẩy ra nhiều sai sót mong thầy và các bạn góp ý bổ sung để chúng em được hiểu biết hơn
trong quá trình học tâp tiếp theo.
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, Ngày 17 tháng 11 năm 2009.
Mục Lục:
--------------------------------------------------------------------------------------------

Trang 2
Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
Đề mục Trang
Nội dung thiết kế 2
Lời nói đầu 2
Mục lục 3
Chương 1: Giới Thiệu Chung
1. Sơ lược
2. Sơ đồ khối
4
4
4
Chương 2: Các linh kiện chính được sử dụng trong mạch
1. Vi điều khiển ATMEGA16:
a. Giới thiệu chung.
b. Sơ đồ khối.
c. Sơ đồ chân.
d. Ý nghĩa của các chân
2. IC tạo nguồn ổn áp chuẩn 7805.
3. IC tạo thời gian thực DS1307.
4. LED 7thanh.
5
5
5
9
10
11
11
12
20

Chương 3:Các khối mạch cần sử dụng và sơ đồ mạch hoàn chỉnh
1,Khối tạo nguồn
2,Khối Reset
3,Khối điều khiển
4,Khối tạo xung dao động
5,Khối hiển thị
6,Khối tạo thời gian thực
20
20
21
21
22
23
24
Chương 4: Sơ đồ mạch hoàn chỉnh.
Sơ đồ mạch nguyên lý
Sơ đồ mạch in
25
26
Chương 5: Chương trình phần mềm
Sơ đồ thuật toán
Code chương trình cho AT16
27
28
--------------------------------------------------------------------------------------------
Trang 3
Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
Chương I : Giới Thiệu Chung
1) Sơ Lược:
Trong công nghệ điện tử vi xử lý, vi điều khiển là một thành phần quan trọng không thể

thiếu nó mang nhiều tính ưu việt: có thể thay thế một mạch điện phức tạp bằng một vi
mạch nhỏ gọn với chi phí thấp hơn, nhưng ứng dụng lại đa dạng và linh hoạt hơn, tiết kiệm
năng lượng hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn,…
Để học tập tốt và hiểu sâu về môn học vi xử lý ngoài những kiến thức trên sách vở cần
có những ứng dụng vào thực tế. Trên cơ sở đó chúng em tìm hiểu và thiết kế sản phẩm là
mạch ĐỒNG HỒ THỜI GIAN THỰC dùng vi điều khiển AVR của ATMEL. Có khả
năng điều chỉnh và thay đổi được thời gian. So với những mạch đồng hồ dùng họ vi điều
khiển 8051 và PIC thì AVR có ưu điểm hơn là ngôn ngữ lập trình được viết bằng C thì
chương trình sẽ ngắn gọn hơn, so với 8051 thì tốc độ xử lý tín hiệu nhanh hơn.
2) Sơ đồ khối:
Chương II: Các linh kiện chính được sử dụng
trong mạch.
1. Vi điều khiển Atmega 16.
a) Giới thiệu chung
ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC. Với khả năng thực hiện
mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ 1MIPS trên
mỗi MHz (1 triệu lệnh/s/MHz).
ATmega16 có các đặc điểm sau: 16KB bộ nhớ Flash với khả năng đọc trong khi ghi, 512
--------------------------------------------------------------------------------------------
Trang 4
Vi Điều Khiển
ATmega16
Khối nguồn
Tạo thời
gian thực
Khối hiển thị
Điều khiển
Tạo xung dao
động
Reset

Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
byte bộ nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM, 32 thanh ghi chức năng chung, 32 đường vào
ra chung, 3 bộ định thời/bộ đếm, ngắt nội và ngắt ngoại, USART, giao tiếp nối tiếp 2 dây,
8 kênh ADC 10 bit,....ATmega 16 hỗ trợ đầy đủ các chương trình và công cụ phát triển hệ
thống như: trình dịch C, macro assemblers, chương trình mô phỏng/sửa lỗi, kit thử
nghiêm,...
 Cấu trúc nhân AVR
CPU của AVR có chức năng bảo đảm sự hoạt động chính xác của các chương trình. Do đó
nó phải có khả năng truy cập bộ nhớ, thực hiện các quá trình tính toán, điều khiển các thiết
bị ngoại vi và quản lý ngắt.
• Cấu trúc tổng quát
AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình và dữ
liệu. Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock. Bộ nhớ chương trình
được lưu trong bộ nhớ Flash.
• ALU
--------------------------------------------------------------------------------------------
Trang 5
Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
ALU làm việc trực tiếp với các thanh ghi chức năng chung. Các phép toán được thực
hiện trong một chu kỳ xung clock. Hoạt động của ALU được chia làm 3 loại: đại số,
logic và theo bit.
• Thanh ghi trạng thái
Đây là thanh ghi trạng thái có 8 bit lưu trữ trạng thái của ALU sau các phép tính số
học và logic.
C: Carry Flag ;cờ nhớ (Nếu phép toán có nhớ cờ sẽ được thiết lập).
Z: Zero Flag ;Cờ zero (Nếu kết quả phép toán bằng 0).
N: Negative Flag (Nếu kết quả của phép toán là âm).
V: Two’s complement overflow indicator (Cờ này được thiết lập khi tràn số bù 2)V,
For signed tests (S=N XOR V) S: N.
H: Half Carry Flag (Được sử dụng trong một số toán hạng sẽ được chỉ rõ sau)

T: Transfer bit used by BLD and BST instructions(Được sử dụng làm nơi chung
gian trong các lệnh BLD,BST).
I: Global Interrupt Enable/Disable Flag (Đây là bit cho phép toàn cục ngắt. Nếu bit
này ở trạng thái logic 0 thì không có một ngắt nào được phục vụ.)
• Các thanh ghi chức năng chung
--------------------------------------------------------------------------------------------
Trang 6
Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
• Con trỏ ngăn xếp (SP)
Là một thanh ghi 16 bit nhưng cũng có thể được xem như hai thanh ghi chức năng
đặc biệt 8 bit. Có địa chỉ trong các thanh ghi chức năng đặc biệt là $3E (Trong bộ
nhớ RAM là $5E). Có nhiệm vụ trỏ tới vùng nhớ trong RAM chứa ngăn xếp.
Khi chương trình phục vu ngắt hoặc chương trình con thì con trỏ PC được lưu vào
ngăn xếp trong khi con trỏ ngăn xếp giảm hai vị trí. Và con trỏ ngăn xếp sẽ giảm 1
khi thực hiện lệnh push. Ngược lại khi thực hiện lệnh POP thì con trỏ ngăn xếp sẽ
tăng 1 và khi thực hiện lệnh RET hoặc RETI thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 2. Như vậy
con trỏ ngăn xếp cần được chương trình đặt trước giá trị khởi tạo ngăn xếp trước khi
một chương trình con được gọi hoặc các ngắt được cho phép phục vụ. Và giá trị ngăn
xếp ít nhất cũng phải lơn hơn hoặc bằng 60H (0x60) vì 5FH trỏ lại là vùng các thanh
ghi.
--------------------------------------------------------------------------------------------
Trang 7
Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
• Quản lý ngắt
Ngắt là một cơ chế cho phép thiết bị ngoại vi báo cho CPU biết về tình trạng
sẵn sxàng cho đổi dữ liệu của mình.Ví dụ:Khi bộ truyền nhận UART nhận
được một byte nó sẽ báo cho CPU biết thông qua cờ RXC,hợc khi nó đã
truyền được một byte thì cờ TX được thiết lập…Khi có tín hiệu báo ngắt CPU
sẽ tạm dừng công việc đạng thực hiện lại và lưu vị trí đang thực hiên chương
trình (con trỏ PC) vào ngăn xếp sau đó trỏ tới vector phuc vụ ngắt và thức hiện

chương trình phục vụ ngắt đó chơ tới khi gặp lệnh RETI (return from interrup)
thì CPU lại lấy PC từ ngăn xếp ra và tiếp tục thực hiện chương trình mà trước
khi có ngăt nó đang thực hiện. Trong trường hợp mà có nhiều ngắt yêu cầu
cùng một lúc thì CPU sẽ lưu các cờ báo ngắt đó lại và thực hiện lần lượt các ngắt
theo mức ưu tiên .Trong khi đang thực hiện ngắt mà xuất hiện ngắt mới thì sẽ
xảy ra hai trường hợp. Trường hớp ngắt này có mức ưu tiên cao hơn thì nó sẽ được
phục vụ. Còn nó mà có mức ưu tiên thấp hơn thì nó sẽ bị bỏ qua.Bộ nhớ ngăn
xếp là vùng bất kì trong SRAM từ địa chỉ 0x60 trở lên. Để truy nhập vào
SRAM thông thường thì ta dùng con trỏ X,Y,Z và để truy nhập vào SRAM
theo kiểu ngăn xếp thì ta dùng con trỏ SP. Con trỏ này là một thanh ghi 16 bit và
được truy nhập như hai thanh ghi 8 bit chung có địa chỉ :SPL :
0x3D/0x5D(IO/SRAM) và SPH:0x3E/0x5E.Khi chương trình phục vu ngắt hoặc
chương trình con thì con trỏ PC được lưu vào ngăn xếp trong khi con trỏ ngăn xếp
giảm hai vị trí.Và con trỏ ngăn xếp sẽ giảm 1 khi thực hiện lệnh push. Ngược lại
khi thực hiện lệnh POP thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 1 và khi thực hiện lệnh
RET hoặc RETI thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 2. Như vậy con trỏ ngăn xếp cần
được chương trình đặt trước giá trị khởi tạo ngăn xếp trước khi một chương trình
con được gọi hoặc các ngắt được cho phép phục vụ. Và giá trị ngăn xếp ít nhất
cũng phải lớn hơn 60H (0x60) vì 5FH trỏ lại là vùng các thanh ghi.
b) Sơ đồ khối:
--------------------------------------------------------------------------------------------
Trang 8
Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
c) Sơ đồ chân:
--------------------------------------------------------------------------------------------
Trang 9
Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
c) Ý nghĩa các chân:

• ChânVcc: Chân số 10 là VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển. Nguồn

điện cấp là +5V±0.5.
• Chân GND:Chân số11 và chân số 31 nối GND(hay nối Mass). Khi thiết kế cần
sử dụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách đơn giản là sử dụng
IC ổn áp 7805.
• Port A (PA): Port A gồm 8 chân (từ chân 33 đến 40) có chức năng: đầu vào
cho chuyển đổi ADC
• Port B (PB): Port PB gồm 8 chân (từ chân 1 đến chân 8), ngoài có chức năng
làm các đường xuất/nhập thì còn có nhiều chức năng phụ khác.
• Port C (PC): Port C gồm 8 chân (từ chân 22 đến chân 29) : Nếu giao tiếp
JTAG được kích hoạt điện trở trên các PC5(TDI), PC3 (TMS) ,PC2 (TCK) sẽ
được kích hoạt ngay cả khi khởi động lại (reset)
--------------------------------------------------------------------------------------------
Trang 10
Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
• Port D (PD): Port D gồm 8 chân (từ chân 14 đến 21):chưc năng xuất nhập
• Chân RESET(RST): Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiết lập
trạng thái ban đầu cho vi điều khiển. Hệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trị
ban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy.
• Chân XTAL1 và XTAL2 : Hai chân này có vị trí chân là 12 và 13 được sử
dụng để nhận nguồn xung clock từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép
nối với thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định.
• Chân AVCC : Nguồn cấp cho cổng A và bộ chuyển đổi ADC , chân này nên
được nối với nguồn cấp VCC bên ngoài , ngay cả khi bộ chuyển đổi ADC
không được sử dụng. Nếu bộ chuyển đổi ADC không được sử dụng , chân
AVCC nên được nối với nguồn qua bộ lọc.
• Chân AREF : AREF là chân chuẩn analog cho bộ chuyển đổi ADC.
2. IC tạo ổn áp 7805:( IC ổn áp 5v).

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng IC ổn
áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản. Các loại ổn áp

thường được sử dụng là IC 78xx, với xx là điện áp cần ổn áp. Ví dụ 7805 ổn áp 5V,
7812 ổn áp 12V. Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau, dưới đây là minh
họa cho IC ổn áp 7805:
Sơ đồ phía dưới IC 7805 có 3 chân:
* Chân số 1 là chân IN.
* Chân số 2 là chân GND.
* Chân số 3 là chân OUT.
--------------------------------------------------------------------------------------------
Trang 11
Đồ án 1: Đề tài: Thiết kế đồng hồ thời gian thực .
Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi. Mạch này dùng để
bảo vệ những mạch điện chỉ hoạt động ở điện áp 5V (các loại IC thường hoạt động ở điện
áp này). Nếu nguồn điện có sự cố đột ngột: điện áp tăng cao thì mạch điện vẫn hoạt động
ổn định nhờ có IC 7805 vẫn giữ được điện áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi.
Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một máy biến áp với điện áp từ 7V đến 9V để đưa vào
ngõ IN. Khi kết nối mạch điện, do nhiều nguyên nhân, người dùng dễ nhầm lẫn cực tính
của nguồn cung cấp khi đấu nối vào mạch, trong trường hợp này rất dễ ảnh hưởng đến các
linh kiện trên board mạch. Vì lí do đó một diode cầu được lắp thêm vào mạch, diode cầu
đảm bảo cực tính của nguồn cấp cho mạch theo một chiều duy nhất, và nguời dùng cũng
không cần quan tâm đến cực tính của nguồn khi nối vào ngõ IN nữa.
3. IC tạo thời gian DS1307:
a) Giới thiệu chung về DS1307:
IC thời gian thực là họ vi điều khiển của hãng dalat. DS1307 có một số đặc trưng cơ
bản sau:
- DS1307 là IC thời gian thực với nguồn cung cấp nhỏ dùng để cập nhật thời gian và
ngày tháng
- SRAM :56bytes
- Địa chỉ và dữ liệu được truyền nối tiệp qua 2 đường bus 2 chiều
- DS1307 có môt mạch cảm biến điện áp dùng để dò các điện áp lỗi và tự động đóng
ngắt với nguồn pin cung cấp 3V:

+ DS1307 có 7 byte dữ liệu nằm từ địa chỉ 0x00 tới 0x06, 1 byte điểu khiển, và
56 byte lưu trữ ( dành cho người sủ dụng ).
+ Khi xử lý dữ liệu từ DS1307, họ đã tự chuyển cho ta về dạng số BCD, ví dụ
như ta đọc được dữ liệu từ địa chỉ 0x04 (tưong ứng với Day- ngày trong tháng) và tại
0x05 (tháng) là 0x15, 0x11.
+ Lưu ý đến vai trò của chân SQW/OUT. Đây là chân cho xung ra của DS1307
có 4 chế độ 1Hz, 4.096HZ, 8.192Hz, 32.768Hz... các chế độ này đuợc quy định bởi các
bít của thanh ghi Control Register (địa chỉ 0x07 ).
+ Địa chỉ của DS1307là 0xD0.
- Cơ chế hoạt động : DS1307 hoạt động với vai trò slave trên đường bus nối tiếp.Việc
truy cập được thi hành với chỉ thị start và một mã thiết bị nhất định được cung cấp bởi
địa chỉ các thanh ghi. Tiếp theo đó các thanh ghi sẽ được truy cập liên tục đến khi chỉ thị
stop đươc thực thi.
b) Cơ chế hoạt động và chức năng của DS1307:
--------------------------------------------------------------------------------------------
Trang 12