Nghiên cứu KIT thực hành vi điều khiển PIC 16F877A
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.36 MB, 109 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
Bộ môn: Kỹ thuật máy
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU KIT THỰC HÀNH VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A
Giáo viên hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện
TS. Phạm Xuân Hiển
:
Nguyễn Ngọc Định – MSV : 151303131
Trần Lê Trang – MSV : 151300364
Lớp
:
Cơ Điện Tử
Khóa
:
K56
Hà Nội – 2019
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các
thầy cô trong bộ môn “KỸ THUẬT MÁY” trường đại học Giao Thông Vận Tải Hà Nội
đã tạo điều kiện và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Đặc biệt em xin
được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. PHẠM XUÂN HIỂN - là người trực tiếp hướng
dẫn tận tình và động viên em trong suốt thời gian thực hiện đồ án để em có thể hoàn
thành tốt đồ án của mình.
Trong quá trình thực hiện đồ án khó tránh khỏi những sai sót, em rất mong các thầy
cô bỏ qua. Đồng thời do hạn chế về trình độ cũng như kiến thức của em nên đồ án
không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của
thầy cô để có thể hoàn thiện tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện:
Nguyễn Ngọc Định
Trần Lê Trang
2
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Bộ Giáo dục và Đào tạo
Trường Đại học Giao thông vận tải
Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Bộ môn
Khoa
Sinh viên
: KỸ THUẬT MÁY
: CƠ KHÍ
: Nguyễn Ngọc Định – Lớp Cơ Điện Tử - K56
Trần Lê Trang – Lớp Cơ Điện Tử - K56
Tên và tóm tắt yêu cầu, nội dung đề tài:
NGHIÊN CỨU KIT THỰC HÀNH VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A
Nội dung yêu cầu:
STT
Nội Dung
1
Tổng quan về vi điều khiển
2
Giới thiệu về PIC 16F877A
3
Ứng dụng lập trình cho kit thực hành vi điều khiển PIC 16F877A
Số liệu cần thiết chủ yếu để thiết kế:
- Kit thực hành có sẵn trên thị trường sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A
- Phần mềm lập trình CCS
Nội dung của bản thuyết minh, yêu cầu giải thích tính toán của thiết kế tốt nghiệp:
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
3
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Các bản vẽ chính:
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
Những yêu cầu bổ sung thêm trong nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp hoặc
chuyên đề:
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Cán bộ hướng dẫn:
a. Giáo viên của Trường: TS. Phạm Xuân Hiển
b. Cán bộ ngoài sản xuất: ...........................................................................
Ngày giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp: Ngày 26 Tháng 02 Năm 2019
Ngày bắt đầu thiết kế tốt nghiệp: Ngày 26 Tháng 02 Năm 2019
TL\HIỆU TRƯỞNG Ngày 15 tháng 1 năm 2019 Đã giao nhiệm vụ TKTN
Trưởng khoa
Trưởng bộ môn
TS. Đinh Thị Thanh Huyền
Đã nhận nhiệm vụ TKTN
Giáo viên hướng dẫn
TS. Phạm Xuân Hiển
Sinh viên: Nguyễn Ngọc Định
Trần Lê Trang
Lớp: Cơ điện tử
Khóa: K56
4
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Đánh giá và nhận xét của GV hướng dẫn
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
5
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................................2
Trường Đại học Giao thông vận tải
3
MỤC LỤC......................................................................................................................................6
DANH MỤC HÌNH ẢNH............................................................................................................7
1.1Giới thiệu khái quát về vi điều khiển
9
1.2Khái quát về vi điều khiển PIC
11
2.1 Giới thiệu chung
17
2.2 Tổ chức bộ nhớ
22
2.3 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A
27
2.4 Timer0
29
2.5 Timer1
31
2.10 Giao tiếp nối tiếp
45
2.11 Cổng giao tiếp song song PSP (PARALLEL SLAVE PORT)
47
3.1GIỚI THIỆU
60
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................108
PHỤ LỤC
109
6
DANH MỤC HÌNH ẢNH
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay kỹ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành kỹ thuật và
trong dân dụng. Các bộ vi điều khiển có khả năng xử lý nhiều hoạt động phức tạp mà
chỉ cần một chip vi mạch nhỏ, nó đã thay thế các tủ điều khiển lớn và phức tạp bằng
những mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng.
Vi điều khiển không những góp phần vào kỹ thuật điều khiển mà còn góp phần to lớn
vào việc phát triển thông tin. Chính vì các lý do trên, việc tìm hiểu, khảo sát vi điều
khiển là điều mà các sinh viên ngành điện mà đặc biệt là chuyên ngành kỹ thuật điệnđiện tử phải hết sức quan tâm. Đó chính là một nhu cầu cần thiết và cấp bách đối với
mỗi sinh viên, đề tài này được thực hiện chính là đáp ứng nhu cầu đó.
Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để vận hành và sử dụng
đươc lại là một điều rất phức tạp. Phần công việc xử lý chính vẫn phụ thuộc vào con
người, đó chính là chương trình hay phần mềm. Nếu không có sự tham gia của con
người thì hệ thống vi điều khiển cũng chỉ là một vật vô tri. Do vậy khi nói đến vi điều
khiển cũng giống như máy tính bao gồm 2 phần là phần cứng và phần mềm.
Mặc dù vi điều khiển đã đi được những bước dài như vậy nhưng để tiếp cận được với
kỹ thuật này không thể là một việc có được trong một sớm một chiều. Để tìm hiểu bộ vi
điều khiển một cách khoa học và mang lại hiệu quả cao làm nền tảng cho việc xâm nhập
vào những hệ thống tối tân hơn. Việc trang bị những kiến thức về vi điều khiển cho sinh
viên là hết sức cần thiết. Xuất phát từ thực tiển này em đã đi đến quyết định Thiết kế
bộ Kit Vi Điều Khiển PIC 16F877A nhằm đáp ứng nhu cầu ham muốn học hỏi của
bản than và giúp cho các bạn sinh viên dễ tiếp cận và hiểu sâu hơn về VĐK PIC.
Trong quá trình thực hiện đề tài vẫn còn nhiều sai sót, mong nhận được nhiều ý kiến
đóng góp từ cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày 19 tháng 4 năm 2019
Sinh viên:
Nguyễn Ngọc Định
Trần Lê Trang
8
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN
1.1 Giới thiệu khái quát về vi điều khiển
1.1.1 Giới thiệu chung
Bộ Vi xử lý có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính toán, xử
lý, và thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiệu quả đối
với các bài toán và hệ thống lớn.Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, tầm tính toán
không đòi hỏi khả năng tính toán lớn thì việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc. Bởi vì hệ
thống dù lớn hay nhỏ, nếu dùng vi xử lý thì cũng đòi hỏi các khối mạch điện giao tiếp
phức tạp như nhau. Các khối này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chương trình thực
hiện, các mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập và điều khiển trở lại, các khối này
cùng liên kết với vi xử lý thì mới thực hiện được công việc. Để kết nối các khối này đòi
hỏi người thiết kế phải hiểu biết tinh tường về các thành phần vi xử lý, bộ nhớ, các thiết
bị ngoại vi. Hệ thống được tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in phức
tạp và vấn đề chính là trình độ người thiết kế. Kết quả là giá thành sản phẩm cuối cùng
rất cao, không phù hợp để áp dụng cho các hệ thống nhỏ.
Vì một số nhược điểm trên nên các nhà chế tạo tích hợp một ít bộ nhớ và một số
mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất được gọi là
Microcontroller- Vi điều khiển.
Một số đặc điểm khác nhau giữa vi xử lí và VĐK:
-
Về phần cứng: VXL cần được ghép thêm các thiết bị ngoại vi bên ngoài như bộ nhớ,
và các thiết bị ngoại vi khác, … để có thể tạo thành một bản mạch hoàn chỉnh. Đối
với VĐK thì bản thân nó đã là một hệ máy tính hoàn chỉnh với CPU, bộ nhớ, các
mạch giao tiếp, các bộ định thời và mạch điều khiển ngắt được tích hợp bên trong
mạch.
-
Về các đặc trưng của tập lệnh: Do ứng dụng khác nhau nên các bộ VXL và VĐK
cũng có những yêu cầu khác nhau đối với tập lệnh của chúng. Tập lệnh của các VXL
thường mạnh về các kiểu định địa chỉ với các lệnh cung cấp các hoạt động trên các
lượng dữ liệu lớn như 1byte, ½ byte, word, double word,...Ở các bộ VĐK, các tập
lệnh rất mạnh trong việc xử lý các kiêu dữ liệu nhỏ như bit hoặc một vài bit.
-
Do VĐK cấu tạo về phần cứng và khả năng xử lí thấp hơn nhiều soi với VXL nên
giá thành của VĐK cũng rẻ hơn nhiều. Tuy nhiên nó vẫn đủ khả năng đáp ứng được
9
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
tất cả các yêu cầu của người dùng.
Vi điều khiển được ứng dụng trong các dây chuyền tự động loại nhỏ, các robot có chức
năng đơn giản, trong máy giặt, ôtô v.v...
1.1.2 Phân loại.
Độ dài thanh ghi
Dựa vào độ dài của các thanh ghi và các lệnh của VĐK mà người ta chia ra các loại
VĐK 8bit, 16bit, hay 32bit....
Các loại VĐK 16bit do có độ dài lệnh lớn hơn nên các tập lệnh cũng nhiều hơn,
phong phú hơn. Tuy nhiên bất cứ chương trình nào viết bằng VĐK 16bit chúng ta đều
có thể viết trên VDK 8bit với chương trình thích hợp.
Kiến trúc CISC và RISC
VXL hoặc VĐK CISC là VĐK có tập lệnh phức tạp. Các VĐK này có một số lượng
lớn các lệnh nên giúp cho người lập trình có thể linh hoạt và dễ dàng hơn khi viết
chương trình. VĐK RISC là VĐK có tập lệnh đơn giản. Chúng có một số lương nhỏ
các lệnh đơn giản. DO đó, chúng đòi hỏi phần cứng ít hơn, giá thành thấp hơn, và nhanh
hơn so với CISC. Tuy nhiên nó đòi hỏi người lập trình phải viết các chương trình phức
tạp hơn, nhiều lệnh hơn.
Kiến trúc Harvard và kiến trúc Vonneumann
Kiến trúc Harvard sử dụng bộ nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu. Bus địa chỉ
và bus dữ liệu độc lập với nhau nên quá trình truyền nhận dữ liệu đơn giản hơn Kiến
trúc Vonneumann sử dụng chung bộ nhớ cho chương trình và dữ liệu. Điều này làm cho
VĐK gọn nhẹ hơn, giá thành nhẹ hơn.
Một số loại VĐK có trên thị trường:
-
VĐK MCS-51: 8031, 8032, 8051, 8052, ...
-
VĐK ATMEL: 89Cxx, AT89Cxx51..
-
VĐK AVR AT90Sxxxx
-
VĐK PIC 16C5x, 17C43...
1.1.3 Cấu trúc tổng quan của VĐK
CPU:
Là trái tim của hệ thống. Là nơi quản lí tất cả các hoạt động của VĐK. Bên trong
10
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CPU gồm:
-
ALU là bộ phận thao tác trên các dữ liệu
-
Bộ giải mã lệnh và điều khiển, xác định các thao tác mà CPU cần thực hiện
-
Thanh ghi lệnh IR, lưu giữ opcode của lệnh được thực thi
-
Thanh ghi PC, lưu giũ địa chỉ của lệnh kế tiếp cần thực thi
-
Một tập các thanh ghi dùng để lưu thông tin tạm thời
ROM: ROM là bộ nhớ dùng để lưu giữ chương trình. ROM còn dùng để chứa số
liệu các bảng, các tham số hệ thống, các số liệu cố định của hệ thống. Trong quá
trình hoạt động nội dung ROM là cố định, không thể thay đổi, nội dung ROM chỉ
thay đổi khi ROM ở chế độ xóa hoặc nạp chương trình.
RAM: RAM là bọ nhớ dữ liệu. Bộ nhớ RAM dùng làm môi trường xử lý thông
tin, lưu trữ các kết quả trung gian và kết quả cuối cùng của các phép toán, xử lí
thông tin. Nó cũng dùng để tổ chức các vùng đệm dữ liệu, trong các thao tác thu
phát, chuyển đổi dữ liệu.
BUS: BUS là các đường dẫn dùng để di chuyển dữ liệu. Bao gồm: bus địa chỉ,
bus dữ liệu , và bus điều khiển.
BỘ ĐỊNH THỜI: Được sử dụng cho các mục đích chung về thời gian.
WATCHDOG: Bộ phận dùng để reset lại hệ thống khi hệ thống gặp “bất
thường”.
ADC: Bộ phận chuyển tín hiệu analog sang tín hiệu digital. Các tín hiệu bên
ngoài đi vào VDK thường ở dạng analog. ADC sẽ chuyển tín hiệu này về dạng tín hiệu
digital mà VDK có thể hiểu được.
1.2 Khái quát về vi điều khiển PIC
1.2.1 PIC là gì ?
PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là “máy tính
thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên
của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển
CP1600. Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành
nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay.
1.2.2 Kiến trúc PIC
11
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Cấu trúc phần cứng của một vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng kiến trúc: kiến
trúc Von Neuman và kiến trúc Havard.
Hình 1.1 Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman
Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Havard. Điểm khác biệt giữa
kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương
trình.
Đối với kiến trúc Von-Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chung
trong một bộ nhớ, do đó ta có thể tổ chức, cân đối một cách linh hoạt bộ nhớ chương
trình và bộ nhớ dữ liệu. Tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa khi tốc độ xử lí của CPU phải
rất cao, vì với cấu trúc đó, trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thể tương tác với bộ
nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình. Như vậy có thể nói kiến trúc Von-Neuman không
thích hợp với cấu trúc của một vi điều khiển.
Đối với kiến trúc Havard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai bộ
nhớ riêng biệt. Do đó trong cùng một thời điểm CPU có thể tương tác với cả hai bộ nhớ,
như vậy tốc độ xử lí của vi điều khiển được cải thiện đáng kể.
Một điểm cần chú ý nữa là tập lệnh trong kiến trúc Havard có thể được tối ưu tùy
theo yêu cầu kiến trúc của vi điều khiển mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu. Ví
dụ, đối với vi điều khiển dòng 16F, độ dài lệnh luôn là 14 bit (trong khi dữ liệu được tổ
chức thành từng byte), còn đối với kiến trúc Von-Neuman, độ dài lệnh luôn là bội số của
1 byte (do dữ liệu được tổ chức thành từng byte). Đặc điểm này được minh họa cụ thể
trong hình 1.1.
1.2.3 RISC và CISC
Như đã trình bày ở trên, kiến trúc Havard là khái niệm mới hơn so với kiến trúc VonNeuman. Khái niệm này được hình thành nhằm cải tiến tốc độ thực thi của một vi điều
12
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
khiển.
Qua việc tách rời bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu, bus chương trình và bus dữ
liệu, CPU có thể cùng một lúc truy xuất cả bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu, giúp
tăng tốc độ xử lí của vi điều khiển lên gấp đôi. Đồng thời cấu trúc lệnh không còn phụ
thuộc vào cấu trúc dữ liệu nữa mà có thể linh động điều chỉnh tùy theo khả năng và tốc
độ của từng vi điều khiển. Và để tiếp tục cải tiến tốc độ thực thi lệnh, tập lệnh của họ vi
điều khiển PIC được thiết kế sao cho chiều dài mã lệnh luôn cố định (ví dụ đối với họ
16Fxxxx chiều dài mã lệnh luôn là 14 bit) và cho phép thực thi lệnh trong một chu kì
của xung clock ( ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt như lệnh nhảy, lệnh gọi chương
trình con … cần hai chu kì xung đồng hồ). Điều này có nghĩa tập lệnh của vi điều khiển
thuộc cấu trúc Havard sẽ ít lệnh hơn, ngắn hơn, đơn giản hơn để đáp ứng yêu cầu mã
hóa lệnh bằng một số lượng bit nhất định.
Vi điều khiển được tổ chức theo kiến trúc Havard còn được gọi là vi điều khiển RISC
(Reduced Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh rút gọn. Vi điều khiển
được thiết kế theo kiến trúc Von-Neuman còn được gọi là vi điều khiển CISC (Complex
Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh phức tạp vì mã lệnh của nó
không phải là một số cố định mà luôn là bội số của 8 bit (1 byte).
1.2.4 PIPELINING
Đây chính là cơ chế xử lí lệnh của các vi điều khiển PIC. Một chu kì lệnh của vi điều
khiển sẽ bao gồm 4 xung clock. Ví dụ ta sử dụng oscillator có tần số 4 MHZ, thì xung
lệnh sẽ có tần số 1 MHz (chu kì lệnh sẽ là 1 us). Giả sử ta có một đoạn chương trình
như sau:
1. MOVLW
55h
2. MOVWF PORTB
3. CALL
SUB_1
4. BSF
PORTA,BIT3
5. instruction @ address SUB_1
Ở đây ta chỉ bàn đến qui trình vi điều khiển xử lí đoạn chương trình trên thông qua
từng chu kì lệnh. Quá trình trên sẽ được thực thi như sau:
13
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hình 1. 2 Cơ chế pipelining
-
TCY0: đọc lệnh 1
-
TCY1: thực thi lệnh 1, đọc lệnh 2
-
TCY2: thực thi lệnh 2, đọc lệnh 3
-
TCY3: thực thi lệnh 3, đọc lệnh 4.
-
TCY4: vì lệnh 4 không phải là lệnh sẽ được thực thi theo qui trình thực thi của
chương trình (lệnh tiếp theo được thực thi phải là lệnh đầu tiên tại label SUB_1)
nên chu kì thực thi lệnh này chỉ được dùng để đọc lệnh đầu tiên tại label SUB_1.
Như vậy có thể xem lênh 3 cần 2 chu kì xung clock để thực thi.
-
TCY5: thực thi lệnh đầu tiên của SUB_1 và đọc lệnh tiếp theo của SUB_1.
Quá trình này được thực hiện tương tự cho các lệnh tiếp theo của chương trình.
Thông thường, để thực thi một lệnh, ta cần một chu kì lệnh để gọi lệnh đó, và một
chu kì xung clock nữa để giải mã và thực thi lệnh. Với cơ chế pipelining được trình bày
ở trên, mỗi lệnh xem như chỉ được thực thi trong một chu kì lệnh. Đối với các lệnh mà
quá trình thực thi nó làm thay đổi giá trị thanh ghi PC (Program Counter) cần hai chu kì
lệnh để thực thi vì phải thực hiện việc gọi lệnh ở địa chỉ thanh ghi PC chỉ tới. Sau khi đã
xác định đúng vị trí lệnh trong thanh ghi PC, mỗi lệnh chỉ cần một chu kì lệnh để thực
thi xong.
1.2.5 Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC
Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:
-
PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit
-
PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit
-
PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit
14
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)
F: PIC có bộ nhớ flash
LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp
LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ
Bên cạnh đó một số vi điệu khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A
ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash).
Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC.
Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất.
Cách lựa chọn một vi điều khiển PIC phù hợp:
-
Trước hết cần chú ý đến số chân của vi điều khiển cần thiết cho ứng dụng. Có
nhiều vi điều khiển PIC với số lượng chân khác nhau, thậm chí có vi điều khiển
chỉ có 8 chân, ngoài ra còn có các vi điều khiển 28, 40, 44, … chân.
-
Cần chọn vi điều khiển PIC có bộ nhớ flash để có thể nạp xóa chương trình được
nhiều lần hơn. Tiếp theo cần chú ý đến các khối chức năng được tích hợp sẵn
trong vi điều khiển, các chuẩn giao tiếp bên trong.
-
Sau cùng cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép.
-
Ngoài ra mọi thông tin về cách lựa chọn vi điều khiển PIC có thể được tìm thấy
trong cuốn sách “Select PIC guide” do nhà sản xuất Microchip cung cấp.
1.2.6 Ngôn ngữ lập trình cho PIC
Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng. Ngôn ngữ lập trình cấp thấp có MPLAB
(được cung cấp miễn phí bởi nhà sản xuất Microchip), các ngôn ngữ lập trình cấp cao
hơn bao gồm C, Basic, Pascal,… Ngoài ra còn có một số ngôn ngữ lập trình được phát
triển dành riêng cho PIC như PICBasic, MikroBasic,…
1.2.7 Mạch nạp PIC
Đây cũng là một dòng sản phẩm rất đa dạng dành cho vi điều khiển PIC. Có thể sử
dụng các mạch nạp được cung cấp bởi nhà sản xuất là hãng Microchip như: PICSTART
plus, MPLAB ICD 2, MPLAB PM 3, PRO MATE II. Có thể dùng các sản phẩm này để
nạp cho vi điều khiển khác thông qua chương trình MPLAB. Dòng sản phẩm chính
thống này có ưu thế là nạp được cho tất cả các vi điều khiển PIC, tuy nhiên giá thành rất
cao và thường gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình mua sản phẩm.
15
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Ngoài ra do tính năng cho phép nhiều chế độ nạp khác nhau, còn có rất nhiều mạch
nạp được thiết kế dành cho vi điều khiển PIC. Có thể sơ lược một số mạch nạp cho PIC
như sau:
-
JDM programmer: mạch nạp này dùng chương trình nạp Icprog cho phép nạp các vi
điều khiển PIC có hỗ trợ tính năng nạp chương trình điện áp thấp ICSP (In Circuit
Serial Programming). Hầu hết các mạch nạp đều hỗ trợ tính năng nạp chương trình
này.
-
WARP-13A và MCP-USB: hai mạch nạp này giống với mạch nạp PICSTART PLUS
do nhà sản xuất Microchip cung cấp, tương thích với trình biên dịch MPLAB, nghĩa
là ta có thể trực tiếp dùng chương trình MPLAB để nạp cho vi điều khiển PIC mà
không cần sử dụng một chương trình nạp khác, chẳng hạn như ICprog.
-
P16PRO40: mạch nạp này do Nigel thiết kế và cũng khá nổi tiếng. Ông còn thiết kế
cả chương trình nạp, tuy nhiên ta cũng có thể sử dụng chương trình nạp Icprog.
-
Mạch nạp Universal của Williem: đây không phải là mạch nạp chuyên dụng dành
cho PIC như P16PRO40.
Các mạch nạp kể trên có ưu điểm rất lớn là đơn giản, rẻ tiền, hoàn toàn có thể tự lắp
ráp một cách dễ dàng, và mọi thông tin về sơ đồ mạch nạp, cách thiết kế, thi công, kiểm
tra và chương trình nạp đều dễ dàng tìm được và download miễn phí thông qua mạng
Internet. Tuy nhiên các mạch nạp trên có nhược điểm là hạn chế về số vi điều khiển
được hỗ trợ, bên cạnh đó mỗi mạch nạp cần được sử dụng với một chương trình nạp
thích hợp.
16
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 2: VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A
2.1 Giới thiệu chung
2.1.1 Các dạng sơ đồ chân
2.1.2
Hình 2.1 Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A và các dạng sơ đồ chân
Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A
17
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hình 2.2 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A
Hình 2.2 là sơ đồ khối của PIC 16F877A, gồm các khối:
-
Khối ALU – Arithmetic Logic Unit.
-
Khối bộ nhớ chứa chương trình – Flash Program Memory.
18
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
-
Khối bộ nhớ chứa dữ liệu EPROM – Data EPROM.
-
Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM – RAM file Register.
-
Khối giải mã lệnh và điều khiển – Instruction Decode Control.
-
Khối thanh ghi đặc biệt.
-
Khối ngoại vi timer.
-
Khối giao tiếp nối tiếp.
-
Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số - ADC.
-
Khối các port xuất nhập.
2.1.3 Chức năng các chân của PIC16F877A
Hình 2.3 Các chân của pic 16F877A
-
Chân OSC1/CLK1(13): ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõ vào
nhận xung clock từ bên ngoài.
-
Chân OSC2/CLK2(14): ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ ra cấp xung clock.
-
Chân
(1) có 2 chức năng
: ngõ vào reset tích cực ở mức thấp.
19
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Vpp: ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình cho PIC.
-
Chân RA0/AN0(2), RA1/AN1(3), RA2/AN2(3): có 2 chức năng
-
RA0,1,2: xuất/ nhập số.
-
AN 0,1,2: ngõ vào tương tự của kênh thứ 0,1,2.
-
Chân RA2/AN2/VREF-/CVREF+(4): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự của kênh
thứ 2/ nhõ vào điện áp chuẩn thấp của bộ AD/ ngõ vào điện áp chẩn cao của bộ
AD.
-
Chân RA3/AN3/VREF+(5): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 3/ ngõ vào điện
áp chuẩn (cao) của bộ AD.
-
Chân RA4/TOCK1/C1OUT(6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài cho
Timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1.
-
Chân RA5/AN4/
/ C2OUT(7): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 4/ ngõ
vào chọn lựa SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2.
-
Chân RB0/INT (33): xuất nhập số/ ngõ vào tín hiệu ngắt ngoài.
-
Chân RB1(34), RB2(35): xuất nhập số.
-
Chân RB3/PGM(36): xuất nhập số/ cho phép lập trình điện áp thấp ICSP.
-
Chân RB4(37), RB5(38): xuất nhập số.
-
Chân RB6/PGC(39): xuất nhấp số/ mạch gỡ rối và xung clock lập trình ICSP.
-
Chân RB7/PGD(40): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP.
-
Chân RC0/T1OCO/T1CKI(15): xuất nhập số/ ngõ vào bộ giao động Timer1/ ngõ
vào xung clock bên ngoài Timer 1.
-
Chân RC1/T1OSI/CCP2(16) : xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer 1/ ngõ
vào Capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2.
-
Chân RC2/CCP1(17): xuất nhập số/ ngõ vào Capture1 ,ngõ ra compare1, ngõ ra
PWM1.
-
Chân RC3/SCK/SCL(18): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ,
ngõ ra chế độ SPI./ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra của chế độ I2C.
-
Chân RC4/SDI/SDA(23): xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập dữ liệu I2C.
-
Chân RC5/SDO(24): xuất nhập số/ dữ liệu ra SPI.
-
Chân RC6/TX/CK(25): xuất nhập số/ truyền bất đồng bộ USART/ xung đồng bộ
USART.
20
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
-
Chân RC7/RX/DT(26): xuất nhập số/ nhận bất đồng bộ USART.
-
Chân RD0-7/PSP0-7(19-30): xuất nhập số/ dữ liệu port song song.
-
Chân RE0/
/AN5(8): xuất nhập số/ điều khiển port song song/ ngõ vào
tương tự 5.
-
Chân RE1/
/AN6(9): xuất nhập số/ điều khiển ghi port song song/ ngõ vào
tương tự kênh thứ 6.
-
Chân RE2/
/AN7(10): xuất nhấp số/ Chân chọn lụa điều khiển port song
song/ ngõ vào tương tự kênh thứ 7.
-
Chân VDD(11, 32) và VSS(12, 31): là các chân nguồn của PIC.
2.1.4 Đặc điểm vi điều khiển PIC16F877A
Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit.
Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho
phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ
dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte. Số
PORT I/O là 5 với 33 pin I/O. Có 8 kênh chuyển đổi A/D
Các đặc tính ngoại vi bao gồmcác khối chức năng sau:
-
Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit.
-
Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa
vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep.
-
Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.
-
Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung.
-
Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C.
-
Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.
-
Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển
RD, WR,
Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:
-
Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần.
-
Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần.
-
Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm.
-
Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm.
21
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
-
Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial
Programming) thông qua 2 chân.
-
Watchdog Timer với bộ dao động trong.
-
Chức năng bảo mật mã chương trình.
-
Chế độ Sleep.
-
Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau.
Đặc điểm
Tần số hoạt động
Reset ( và delay )
Bộ nhớ chường trình Flash ( 14 bit – word )
Bộ nhớ dữ liệu ( byte )
Bộ nhớ dữ liệu EEPROM ( byte )
Các nguồn ngắt
Các PORT xuất nhập
Timer
Các module Capture/Compare/PWM
Giao tiếp nối tiếp
Giao tiếp song song
Module A/D 10bit
Bộ so sánh tương tự
Tập lệnh
Số chân
PIC16F877A
DC – 20MHz
POR, BOR ( PWRT, OST )
8K
356
256
15
Các PORT A, B, C, D, E
3
2
MSSP, USART
PSP
8 kênh ngõ vào
2
35 tập lệnh
40 chân PDIP
44 chân PLCC
44 chân TQFP
44 chân QFN
Bảng 2.1 Tóm tắt đặc điểm của VDK PIC 16F877A
2.2 Tổ chức bộ nhớ
Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương trìn
(Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data Memory).
2.2.1 Bộ nhớ chương trình
22
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển
PIC16F877A là bộ nhớ flash, dung lượng bộ
nhớ 8K word (1 word = 14 bit) và được phân
thành nhiều trang (từ page0 đến page 3) .
Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng
chứa được 8*1024 = 8192 lệnh (vì một lệnh
sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14
bit).
Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ
nhớ chương trình, bộ đếm chương trình có
dung lượng 13 bit (PC<12:0>).
Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm
chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (Reset
vector). Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương
trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h (Interrupt
vector).
Hình 2.4 Bộ nhớ chương trình PIC16F877A
Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ
nhớ stack và không được địa chỉ hóa bởi bộ
đếm chương trình. Bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau.
2.2.2 Bộ nhớ dữ liệu
Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia ra làm nhiều bank. Đối với
PIC16F877A bộ nhớ dữ liệu được chia ra làm 4 bank. Mỗi bank có dung lượng 128
byte, bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFG (Special Function Register)
nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích chung GPR (General Purpose
Register) nằm ở vùng địa chỉ còn lại trong bank. Các thanh ghi SFR thường xuyên được
sử dụng (ví dụ như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở tất cà các bank của bộ nhớ dữ liệu
giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh của chương trình.
Sơ đồ cụ thể của bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A như sau:
23
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hình 2. 5 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A
Thanh ghi chức năng đặc biệt
Đây là các thanh ghi được sử dụng bởi CPU hoặc được dùng để thiết lập và điều
24
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
khiển các khối chức năng được tích hợp bên trong vi điều khiển. Có thể phân thanh ghi
SFR làm hai lọai: thanh ghi SFR liên quan đến các chức năng bên trong (CPU) và thanh
ghi SRF dùng để thiết lập và điều khiển các khối chức năng bên ngoài (ví dụ như ADC,
PWM, …). Phần này sẽ đề cập đến các thanh ghi liên quan đến các chức năng bên
trong. Các thanh ghi dùng để thiết lập và điều khiển các khối chức năng sẽ được nhắc
đến khi ta đề cập đến các khối chức năng đó.
Thanh ghi STATUS (03h, 83h, 103h, 183h):
Thanh ghi chứa kết quả thực hiện phép toán của khối ALU, trạng thái reset và các bit
chọn bank cần truy xuất trong bộ
nhớ dữ liệu.
Thanh ghi OPTION_REG (81h, 181h): thanh ghi này cho phép đọc và ghi, cho
phép điều khiển chức năng pull-up của các chân trong PORTB, xác lập các tham số
về xung tác động, cạnh tác động của ngắt ngoại vi và bộ đếm Timer0.
Thanh ghi INTCON (0Bh, 8Bh,10Bh, 18Bh):thanh ghi cho phép đọc và ghi,
chứa các bit điều khiển và các bit cờ hiệu khi timer0 bị tràn, ngắt ngoại vi RB0/INT và
ngắt interrput- on-change tại các chân của PORTB.
Thanh ghi PIE1 (8Ch): chứa các bit điều khiển chi tiết các ngắt của các khối
chức năng ngoại vi.
Thanh ghi PIR1 (0Ch) chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi, các ngắt
này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE1.
25
