Thiết kế, chế tạo kit thực hành vi điều khiển 8051

Thiết kế, chế tạo kit thực hành vi điều khiển 8051 phục vụ giảng dạy

tại Trường Cao đẳng Thái nguyên

ThS. Đàm Hải Quân

Giới thiệu:

            Các môn học Kỹ thuật vi xử lý, Vi xử lý - Vi điều khiển thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử truyền thông, Điện tử công nghiệp hiện tại đang được giảng dạy tại trường Cao đẳng Thái Nguyên. Trong quá trình giảng dạy các môn học này, bên cạnh các công cụ mô phỏng trên máy tính thì việc sinh viên học sinh được thực hành trên các linh kiện thật có ý nghĩa rất quan trọng, nó giúp cho sinh viên học sinh có thể bao quát  được toàn bộ quá trình từ viết chương trình, dịch ra file mã máy, nạp vào bộ nhớ của vi điều khiển, chạy thử, gỡ lỗi…Hiện tại có thể thấy các kit thực hành có trên thị trường rất phong phú và đa dạng, tuy nhiên đặc điểm chung của các bộ thực hành này là toàn bộ linh kiện trong mạch từ vi điều khiển đến các linh kiện hay thiết bị ngoại vi đều đã được kết nối cứng, không thể thay đổi được, mặt khác giá thành các bộ thực hành này khá cao.

            Trước thực trạng này và với yêu cầu cấp thiết cần có các bộ thực hành phục vụ cho việc học tập của sinh viên học sinh, tôi đã thực hiện thiết kế, chế tạo Kit thực hành vi điều khiển 8051 với các tiêu chí: giá thành rẻ, các thành phần ngoại vi được trang bị vừa đủ cho các bài thực hành cơ bản, phù hợp với chương trình giảng dạy, có thể thay đổi kết nối linh hoạt, tùy theo khả năng sáng tạo của người học và cũng đáp ứng được việc thay đổi khi sử dụng vào làm các bài kiểm tra, đánh giá học sinh sinh viên.

I. Thiết kế mạch điện

            Dựa trên các tiêu chí đã đề cập trên đây, sơ đồ nguyên lý của kit thực hành 8051 được thiết kế như hình dưới:

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch kit thực hành 8051

Trong thiết kế này, phần tử trung tâm là vi điều khiển 8051, để tối ưu hoạt động và giảm chi phí, vi điều khiển chỉ kết nối với 2 mạch: mạch Reset và mạch dao động, trong đó mạch Reset cũng đã được tối giản, chỉ sử dụng 1 tụ điện và 1 điện trở, loại bỏ nút nhấn reset. Mạch dao động được lựa chọn sử dụng thạch anh tần số 11,0592Mhz thay cho 12Mhz, mục đích của việc này là để phù hợp với tốc độ truyền thông khi thiết kế ứng dụng kết nối vi điều khiển với máy tính qua giao thức truyền thông nối tiếp RS232. Ngoài các kết nối cứng này, 4 chân của 8051 được đưa ra một cổng Connector 10 chân, cổng  này được sử dụng để kết nối với mạch nạp chip chuẩn ISP rời bên ngoài. Còn lại toàn bộ các chân của các cổng P0 - P3 được để mở, cho phép người sử dụng có thể tùy ý sử dụng, kết nối với thiết bị ngoại vi bằng dây jumper. Đây là điểm khác biệt của kit thực hành này với các kit hiện có trên thị trường.

            Để phục vụ thực hành các chức năng vào ra dữ liệu, mạch điện trang bị 4 nút nhấn, 16 đèn LED hiển thị trạng thái. Các nút nhấn và đèn LED cũng được để hở đầu vào, người sử dụng có thể thay đổi linh hoạt tùy ý tưởng hay tùy yêu cầu của bài thực hành.

            Để thể hiện rõ hơn việc điều khiển thiết bị ngoại vi, mạch điện trang bị 2 đèn LED 7 thanh dạng Anode chung, 2 rơ-le và 1 màn hình LCD 16x2. 2 đèn LED 7 thanh được sử dụng để thực hành các bài xuất dữ liệu dạng số, giúp người học hình dung rõ hơn việc kết nối linh kiện bên ngoài và tác dụng của tín hiệu logic - tín hiệu số. Ngoài ra, , màn hình LCD 16x2 và rơ-le được sử dụng để phục vụ cho các bài thực hành phức tạp hơn. Rơ le có thể được kết nối và điều khiển thiết bị ngoại vi bên ngoài như động cơ, bóng đèn, máy bơm…

            Để thực hiện nạp file mã máy (file hex) cho vi điều khiển, mạch điện sử dụng một mô đun nạp rời ISP bên ngoài, như vậy dòng vi điều khiển được sử dụng cũng phải là dòng cho phép nạp qua giao thức ISP (89S51, 89S52, 89S55…).

            Với các ứng dụng đơn giản, nguồn điện cấp cho mạch được lấy từ mạch nạp ISP, chính là nguồn 5V từ cổng USB của máy tính. Với ứng dụng cần công suất cao hơn, mạch điện được trang bị một cổng USB cho phép kết nối với bộ nguồn ngoài.

II. Thi công và hoàn thiện sản phẩm

            Sản phẩm được thiết kế trên phần mềm vẽ mạch Altium Designer được thi công và hoàn thiện như hình dưới:

Hình 2: Hình ảnh mô phỏng mạch in 3D trên Altium Designer

Hình 3: Sản phẩm hoàn thiện

            Để thực hiện một bài thực hành, người học cần qua các bước:

Bước 1: Viết chương trình trên một trình biên dịch cụ thể, dịch chương trình ra file *.hex

Bước 2: Sử dụng dây nhảy jumper kết nối trên mạch điện theo yêu cầu đề ra.

Bước 3: Kết nối mạch nạp vào cổng ISP trên mạch.

Bước 4: Kết nối mạch nạp với máy tính, chạy chương trình nạp file *.hex vào bộ nhớ của vi điều khiển.

Bước 6: Chạy chương trình trên kit thực hành.

III. Kết luận

            Kit thực hành được thiết kế, thi công từ các linh kiện rời với giá thành rẻ, sẵn có trên thị trường. Việc lựa chọn các khối đầu ra là tối ưu và phù hợp với nội dung đang giảng dạy. Kit thực hành đã được đưa vào giảng dạy cho học sinh - sinh viên khoa Kỹ thuật Công nghiệp, trường Cao đẳng Thái Nguyên từ năm học 2020-2021 đã tỏ rõ tạo hứng thú của học sinh - sinh viên với môn học này, đồng thời giúp người học có cái nhìn tổng quát hơn từ lý thuyết đến thực hành. Có thể thấy bộ mạch thực hành 8051 đã đạt được yêu cầu và hiệu quả ở cả khía cạnh kinh tế và kỹ thuật.