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Apostila 8051 - cap11, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ)Engenharia Elétrica

apostila de microcontrolador 8051 completa

Tipologia: Notas de estudo

Antes de 2010

Compartilhado em 11/09/2010

geovani-nogueira-5 🇧🇷

4.6

(26)

23 documentos

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Não perca as partes importantes!

CAPÍTULO XI PLACA DE TESTES

MICROCONTROLADORES (MCS-51) 11 - 1

CAPÍTULO XI

PLACA DE TESTES

11.1. INTRODUÇÃO

Neste capítulo descreve-se o projeto e a operação da Placa de Testes. No capítulo XII

estão os detalhes do software que gerencia está placa. A finalidade da placa é permitir flexibilidade

no ensino de microcontroladores. O esquema possibilita a utilização de um computador para

assemblar e linkar os programas e depois enviá-os por porta serial à Placa de Testes para que sejam

executados.

IBM PC PLACA

DE TESTES

CANAL SERIAL

transmitir programas

receber resultados

Figura 11.1. Conexão da Placa de Testes com o IBM PC.

O mais usual quando se trabalha em ensino de microcontroladores é montar uma

pequena placa onde são montados o microcontrolador, chaves para se interagir, leds para sinalizar

alguns resultados e uma memória EPROM onde se gravam os programas. Isto tem uma séria

desvantagem: apagar e gravar a EPROM cada vez que se muda o programa. Para cada correção

que se faz, repete-se o processo de apagar e gravar. Além de ser um processo lento, significa que se

deve ter disponibilidade de um gravador de EPROM.

Com a Placa de Testes não se pretende utilizar a EPROM pois os programas serão

transmitidos através da porta serial do PC, escritos na memória de programa do 8031 e executados.

A velocidade aumenta bastante pois os erros podem ser rapidamente corrigidos no PC e em seguida

transmitidos para a placa.

A placa tem dois modos de operação:

• modo Boot Serial

• modo Execução

Descubra Notas de estudo de Engenharia Elétrica Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ)

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MICROCONTROLADORES (MCS-51) 11 - 1

CAPÍTULO XI

PLACA DE TESTES

11.1. INTRODUÇÃO

Neste capítulo descreve-se o projeto e a operação da Placa de Testes. No capítulo XII

estão os detalhes do software que gerencia está placa. A finalidade da placa é permitir flexibilidade

no ensino de microcontroladores. O esquema possibilita a utilização de um computador para

assemblar e linkar os programas e depois enviá-os por porta serial à Placa de Testes para que sejam

executados.

IBM PC

PLACA

DE TESTES

CANAL SERIAL

transmitir programas

receber resultados

Figura 11.1. Conexão da Placa de Testes com o IBM PC.

O mais usual quando se trabalha em ensino de microcontroladores é montar uma

pequena placa onde são montados o microcontrolador, chaves para se interagir, leds para sinalizar

alguns resultados e uma memória EPROM onde se gravam os programas. Isto tem uma séria

desvantagem: apagar e gravar a EPROM cada vez que se muda o programa. Para cada correção

que se faz, repete-se o processo de apagar e gravar. Além de ser um processo lento, significa que se

deve ter disponibilidade de um gravador de EPROM.

Com a Placa de Testes não se pretende utilizar a EPROM pois os programas serão

transmitidos através da porta serial do PC, escritos na memória de programa do 8031 e executados.

A velocidade aumenta bastante pois os erros podem ser rapidamente corrigidos no PC e em seguida

transmitidos para a placa.

A placa tem dois modos de operação:

modo Boot Serial
modo Execução

11 - 2 MICROCONTROLADORES (MCS-51)

Para o funcionamento correto existem duas memórias: uma EPROM e uma RAM

estática (SRAM). Quando a placa está em modo Boot Serial, a EPROM trabalha como memória de

programa e a memória estática trabalha como memória de dados. Na EPROM está um programa

muito simples que tem como função receber o programa que chega pela porta serial e escrevê-lo na

RAM estática. Ao terminar a transmissão do programa, o usuário põe a placa em modo Execução e

com isto a RAM estática, que era memória de dados, se transforma em memória de programa e a

EPROM é desabilitada; com isto o programa recém transmitido é executado. Se for preciso transmitir

um novo programa, simplesmente basta colocar a placa em modo Boot Serial e transmitir o novo

programa. Há um programa escrito em C (TAR_PRU.C) que ajuda na comunicação com a Placa de

Testes.

Para que o circuito seja completo foram colocados recursos para gravar e ler os

membros da família MCS-51 que têm EPROM interna: 8751H, 8751BH, 87C51, 87C51FA, 8752BH e

outros modelos. Há recursos para gravação usando o modo standard (pulsos de 50 ms) como

também usando o modo "quick pulse programming" (pulsos de 100 μs).

A seguir há uma descrição detalhada de cada item da placa de testes. Os esquemas

estão no final deste capítulo e têm os nomes:

esquema da CPU (cpu.sht)

esquema da MEMÓRIA (memo.sht)

esquema da SERIAL (serial.sht)

esquema do GRAVADOR (grav.sht)

A seguir são apresentados os quatro esquemas:

CAPÍTULO XI

PLACA DE TESTES

MICROCONTROLADORES (MCS-51)

A0..A

P1.7P1.

U?A74LS

U14B74LS

A0A1A2A

AD0AD1AD2AD

A^

A

CE^

OE^

WE

D

U4 6116

AD0AD1AD2AD

A

CE

OE/VPP

O^

U3 2732

A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A

AD4AD5AD6AD

A4A5A6A7A8A9A

U6A

74LS

BOOT BOOT

*BOOT

*WR

*PSENBOOT

*WR PSENBOOT

U6B

74LS

U7A74LS

*BOOTPSEN AD0..AD

P1.

*BOOT^1

P1.

WR/RD ACCIONAN

X^

U6C

74LS

BOOTRD

*RD

0000 MODO BOOT ==> BOOT=0MODO RUN ==> BOOT=

PROIBIDO

Date:

January 4, 1995

Sheet

of^

Size

Document Number

REV

A^

Title

MEMO.SHT (CIRCUITO DE LAS MEMORIAS)

MICROCONTROLADORES MCS-51 1

(PSEN)(WR/RD)(WR/RD)(WR/*RD)

CAPÍTULO XI

PLACA DE TESTES

MICROCONTROLADORES (MCS-51)

TXD(8031) (INTERFACE) PC_RX

+5^0

PC_TX (INTERFACE) RXD(8031)

VCC

Q1PN

R10 10K

TXD

R114K

D101N

PC_RX(3)

VCC

R1410K

C10100u

D111N

PC_TX(2)

R12100K

R13 10K

D121N

Q2PN

RXD

PINO 2 TX -->PINO 3 RX <--PINO 7 GROUNDPINOS 4,5 CURTO

CONECTORSERIALPC

PC_GND(7) J1 PHONEJACK

(ENTRADA 9V DC)

C17470uF

VI^

GND

VO

U16LM

C1847uF

VCC

PINOS 6,8,20 CURTO

12V

25V/IN

(ENTRADA 25V DC)

C1947uF/30V

25V

Date:

January 4, 1995

Sheet

of^

Size

Document Number

REV

A^

Title

MICROCONTROLADORES MCS-51SERIAL.SHT (INTERFACE SERIAL)

MICROCONTROLADORES (MCS-51) 11 - 7

11.2. ESQUEMA DA CPU (CPU.SHT)

Este esquema é o de maior hierarquia. Aqui está a CPU e também os blocos que

representam os demais esquemas: MEMÓRIAS, INTERF-SERIAL e GRAVADOR. A seguir há uma

descrição completa de todos os itens que compõem está placa.

O CRISTAL utilizado é de 3,575611 MHz e basta conectá-lo aos pinos (X1 e X2) do

oscilador da CPU. Utilizou-se este cristal porque já estava disponível e também porque esta

freqüência permite que a porta serial opere a 9600 bauds com boa precisão. Este cristal é muito

comum no Brasil pois é utilizado em todas as televisões para gerar a freqüência da portadora de cor

do sistema PAL-M. Um cristal muito comum no Equador é o de 3,58 MHz, que é a freqüência da

portadora de cor do sistema NTSC e que também pode ser utilizado na Placa de Testes. Um cristal

ideal para a geração de um baud rate preciso é um de 3,6864 MHz; um cristal de 11,0592 também é

interessante pois permite um baud rate preciso além de permitir um clock maior para a CPU. Os dois

capacitores C2 e C3 estão colocados por recomendação do fabricante da CPU e o motivo da

utilização é garantir que o cristal oscile na freqüência apropriada durante a energização do circuito.

O circuito de RESET já foi estudado no capítulo III. Notar que o resistor R2 é de 47 K e

que junto com o capacitor de 10 μF, deve garantir um tempo mais que suficiente para o reset da

CPU. O diodo D1 permite uma rápida descarga do capacitor C1 quando se desliga o circuito.

Também é possível um reset manual através do pushbutton SW1 e o resistor R1 de 82 Ω é usado

para impedir a descarga abrupta do capacitor C1. Deve-se tomar cuidado com os resistores R1 e R

pois quando o pushbutton SW1 é acionado (para provocar reset) esses dois resistores formam um

divisor resistivo que define o valor da tensão na entrada do Schimit Trigger 74LS14. Se R1 não for

muito pequeno quando comparado com R2, a tensão na entrada do 74LS14 poderá ser interpretada

como "1 lógico" e a CPU no será resetada. Neste circuito, quando se aciona SW1 a tensão do divisor

é de: (5*82) / (47000+82) = 9 mV (muito próxima de zero). A figura 11.2 ilustra o circuito de reset e os

dispositivos conectados a este sinal. Nesta figura pode-se ver o LED6 (led quadrado de cor amarela)

que indica quando o reset manual está acionado; um inversor (74LS14) foi usado para que o led se

acenda quando a chave for pressionada.

11 - 8 MICROCONTROLADORES (MCS-51)

VCC VCC

R9 220

LED

Q_AM

U5E

74LS

U5A

74LS

D

1N

47KR

R1 82

SW

SW PUSHBUTTON

10uFC

8031

8255 VCC 2K2R C 1uF

VCC

LED1Q_VD

R

2 D Q 5

3 CLK Q 6

PR

CL

U8A

VCC 74LS

BOOT

*BOOT

(VERDE QUADRADO)

RESET (AMARELO QUADRADO)

Figura 11.2. Esquema do circuito de "power on" reset.

Na figura 11.2 também se pode notar que o sinal de reset é utilizado pelo 8031 e pelo

8255. Além disto, este sinal também aciona um flip flop tipo D que está conectado em modo

"toggled", ou seja, a cada reset o flip flop muda de estado. Este circuito será explicado quando for

abordado o item do boot serial.

Existem TRÊS LEDS SINALIZADORES (LED2, LED3 e LED4) que servem de saída aos

programas dos usuários. Estes leds são acionados por 3 bits da porta P1 (P1.0, P1.1 e P1.2). Para

evitar a conexão dos leds diretamente aos pinos da CPU (na verdade não há grandes problemas

nisto) e também para que se acendam quando se escrever 1 nos bits da porta P1, foram usados

inversores 74LS14 (que estavam sobrando). A figura 11.3 ilustra em detalhes a conexão dos leds

com os bits da porta P1.

11 - 10 MICROCONTROLADORES (MCS-51)

aproveitada para controlar a execução de programa no modo passo a passo. A figura 11.5 ilustra a

conexão da chave passo a passo.

LED5 Q_VM

VCC

R7^8031

VCC

R

PASSO A PASSO 8K

SW

SW SPST

11 U5E 10

74LS

*INT

(VERMELHO QUADRADO)

Figura 11.5. Chave para o modo passo a passo.

Como último item do esquema da CPU está a demultiplexação do barramento de

endereços. Esta tarefa é realizada por um 74LS373, que congela em sua saída os endereços que

estavam presentes na entrada quando ALE fez a transição de alto para baixo (↓). O barramento de

endereços é totalmente demultiplexado e entregue aos demais dispositivos, enquanto o barramento

de dados é multiplexado. Desde que os dispositivos leiam ou escrevam dados no momento correto,

não há nenhum problema em usar o barramento de dados multiplexado (deve-se tomar cuidado com

a carga que este barramento pode suportar).

31 EA/VP

19 X

18 X

9 RESET

1213 INT0INT

1415 T0T

12 P1.0P1.

34 P1.2P1.

56 P1.4P1.

78 P1.6P1.

P0.0P0.1 3938

P0.2P0.3 3736

P0.4P0.5 3534

P0.6P0.7 3332

P2.0P2.1 2122

P2.2P2.3 2324

P2.4P2.5 2526

P2.6P2.7 2728

RDWR 1716

ALE/PPSEN 2930

TXDRXD 1110

U

34 D0D1 Q0Q1 25

78 D2D3 Q2Q3 69

1314 D4D5 Q4Q5 1215

1718 D6D7 Q6Q7 1619

111 OCG

U

74LS

BARRAMENTO DE DADOS

A0A

A3A

A4A

A6A

AD0AD

AD2AD

AD4AD

AD6AD

AD0AD

AD2AD

AD4AD

AD6AD

A8A

A10A

A12A

A14A

ALE

BARRAMENTO DE ENDEREÇOS

(MULTIPLEXADO)

Figura 11.6. Separação dos barramentos de endereços e de dados.

MICROCONTROLADORES (MCS-51) 11 - 11

11.3. ESQUEMA DA MEMÓRIA

Para a memória da placa foi utilizada uma EPROM (2732) e uma memória estática

(SRAM-6116). A primeira idéia é que a EPROM trabalhe como memória de programa (*PSEN) e a

SRAM trabalhe como memória de dados (RD e WR). Isto significaria gravar os programas na

EPROM e, a cada novo programa, seria necessário apagar e regravar a EPROM. Para evitar este

trabalho, há dois modos em que a placa pode operar:

MODO BOOT → A EPROM funciona como memória de programa e a SRAM como

memória de dados. Na EPROM está um programa muito simples que recebe dados

pela porta serial e os escreve na SRAM (envia-se o programa pela porta serial).

MODO EXECUÇÃO → a EPROM é desabilitada e a SRAM trabalha como memória

de programa, executando o programa recém transmitido.

A especificação do modo de operação é controlada por um flip-flop (U8A) conectado em

modo toggled. A cada acionamento do RESET este flip-flop muda de um modo para outro. A

operação é simples:

1. Coloca-se a placa em modo BOOT (aciona-se o RESET até que o led verde quadrado esteja

aceso). Com isto a EPROM será a memória de programa e a SRAM será a memória de dados.

2. Transmite-se o programa a ser executado pela porta serial. O programa da EPROM é

responsável por receber o que chega pela porta serial (o programa em formato INTEL.HEX) e

escrever na SRAM.

3. Aciona-se o RESET e com isto o flip-flop U8A muda de estado, ou seja, a placa é colocada em

modo EXECUÇÃO. Neste modo a EPROM é desabilitada e a SRAM é tomada como memória de

programa, executando o que aí está escrito.

4. Se for necessário enviar um novo programa, basta acionar o RESET e a placa vai novamente

para o modo BOOT.

A tabela da figura 11.7 ilustra o comportamento das memórias segundo o sinal de

BOOT.

BOOT EPROM SRAM

0 PSEN RD e *WR

1 X *PSEN

Figura 11.7. O sinal BOOT controlando a EPROM e a SRAM.

Na figura 11.9 estão as memórias, o circuito responsável por torná-las memória de

programa ou dados (U6A, U6B, U6C, U7A) e o flip-flop de BOOT acionado pelo sinal de RESET. A

EPROM somente estará operante quando BOOT=1 (*BOOT=0) porque este sinal vai diretamente

MICROCONTROLADORES (MCS-51) 11 - 13

A

BARRAMENTO DE ENDEREÇOS A0A1 (^87) A2A3A4 (^654) A5A6 (^32) A7A8A9 23221 A10A11 (^1921) OE/VPPCE^1820

10119 O0O1O (^131415) O3O4O (^1617) O6O

U

2732

AD

BARRAMENTO DE DADOS AD1AD2AD AD4AD AD6AD

A1A2A A4A A6A7A A9A10A *BOOT *PSEN

AD0AD1 A0A A2A3A A5A A7A8A A

WEOE

D0D D2D3D D5D D

U

6116

A0A

(^1) *WR (^3) U6A^2 74LS

A2A3A A5A A7A8A A

AD2AD3AD AD5AD AD A11A (^3) U7A 12 74LS

(^6) U6B 45 74LS (^8) U6C^109 74LS

*BOOT

*PSEN

*RD

VCC

1 U5A 2 74LS

1N4148D1 47KR

R1 82

SW SW PUSHBUTTON 10uFC

VCC 2K2R 1uFC

VCC LED1Q_VD

R3 220 (^2) D Q 5 (^3) CLK Q 6 PR

4 CL 1

U8A VCC 74LS

BOOT

*BOOT

(VERDE QUADRADO)

RESET

(^876) (^54) (^321) (^2322) 19 CE 202118

10119 (^131415) (^1617)

2 U?A^1 74LS

(^3) U7A 12

74LS08 P1. (^3) U6A 12 P1. 74LS

P1. P1.

*WR

*BOOT

*PSEN

*RD

BOOT

Figura 11.9. Circuito de memória controlado pelo sinal BOOT.

11.4. ESQUEMA DA SERIAL

O microcontrolador 8031 oferece uma porta serial bidirecional que será utilizada para

enviar os programas que serão executados pela placa de testes. Pelo pino TXD a CPU transmite os

dados e pelo pino RXD os dados são recebidos. O conector serial de 9 pinos dos PCs transmite pelo

pino 2 (PC_RX) e recebe pelo pino 3 (PC_TX). A solução parece ser simples pois bastaria conectar

as entradas com as saídas. O problema é que no conector serial dos PCs os sinais estão com os

níveis de tensão do padrão RS 232 (+/- 12 V) e nos pinos da CPU têm-se níveis TTL. Os conversores

RS 232/TTL necessitam de fontes de alimentação de +12 V e -12 V; os mais consagrados são: 1488

e 1489.

11 - 14 MICROCONTROLADORES (MCS-51)

Pareceria que para poder operar com a porta serial conectada ao PC deveríamos ligar a

Placa de Testes a duas fontes extras (+12 V e - 12 V). Mas com isto a placa se tornaria grande

porque seriam necessários dois transformadores extras. Mas o que se busca é uma placa simples

que permita receber programas do PC e não uma porta serial perfeita.

Converter para TTL os sinais RS 232 gerados por um PC é fácil com a utilização de um

transistor. A figura 11.10 ilustra um circuito que converte RS 232 em TTL. Se a entrada PC_TX está

em +12 V, o transistor se satura e a saída RXD vai a zero; por outro lado, se a entrada PC_TX está

em -12 V, o transistor estará cortado e, devido ao resistor de pull up (R14), a saída vai para VCC. O

diodo D12 aumenta a velocidade de transistor quando este faz a transição da saturação para o corte.

VCC

R 10K R 10K D 1N

PC TX Q22N

RXD

(RS 232)

(TTL)

Figura 4.10. Conversor de RS 232 para TTL.

Há algumas tolerâncias na porta serial do PC, as quais poderão ser aproveitadas para

simplificar o conversor TTL/RS 232. O primeiro tópico é que a porta serial do PC interpreta como

tensão positiva qualquer valor entre +3 V e +12 V. Com isto, podemos utilizar os +5 V da placa em

substituição à fonte de +12 V. O mesmo é valido para as tensões negativas, ou seja, a porta serial do

PC interpreta como tensão negativa qualquer valor entre -12 V e -3 V. A figura 4.8 ilustra estas faixas

de tensão.

+12 V

+3 V 0 -3 V

-12 V

FAIXA

POSITIVA

"+12 V"

FAIXA

NEGATIVA

"-12 V"

Figura 11.10. Faixas de tensão toleradas pela porta serial do PC.

11 - 16 MICROCONTROLADORES (MCS-51)

VCC

R

10K

Q

PN

R

4K

D

1N4148 D

1N4148 C10100uF

PC_TX

PC_RX

TXD

(RS 232)

(TTL)

FONTE NEGATIVA

Figura 11.12. Conversor TTL/RS 232 com a fonte negativa.

Agora é possível fazer as conversões RS 232 e TTL que são necessárias para que a

porta serial opere. Cabe lembrar que este conversor é muito limitado e que funciona apenas a

distâncias pequenas. Deve-se testar quando for empregado a distâncias maiores e com velocidades

mais altas. O esquema completo da interface serial (serial.sht) está no item 11.2.

Para complementar o presente texto, é apresentada na figura 11.13 uma tabela com as

funções dos pinos para os conectores de 9 pinos e 25 pinos.

NOME DIR. 25 PINOS 9 PINOS DESCRIÇÃO

TD → 2 3 Transmitir dados

RD ← 3 2 Receber dados

DSR ← 6 6 Conjunto de dados pronto

DTR → 20 4 Terminal de dados pronto

RTS → 4 7 Solicitação para enviar

CTS ← 5 8 Livre para enviar

DCD ← 8 1 Detecção de portadora

RI ← 22 9 Indicador de chamada

TERRA  7 5 Terra de sinal

TERRA P.  1  Terra de proteção

Figura 11.13. Descrição dos sinais dos conectores seriais.

MICROCONTROLADORES (MCS-51) 11 - 17

Para economizar espaço na placa, usa-se um adaptador como fonte de alimentação. O

adaptador é responsável por gerar uma tensão retificada, mas não regulada, na faixa de 7,5 a 10 V.

O regulador da placa (LM7805) é responsável por gerar os 5 volts regulados. Normalmente os

adaptadores são de má qualidade e geram uma tensão que depende da corrente; quanto mais

corrente se necessita, menor é a tensão. Para evitar uma dissipação de potência muito grande sobre

o regulador, recomenda-se testar com diversas tensões, iniciando por uma bem baixa como, por

exemplo, 3V. Os capacitores C17 e C18 são usados para garantir a regulação.

Para a fonte de alimentação de 25 V, que é usada somente quando se grava a EPROM

das CPUs, usa-se uma fonte externa que deve fornecer 25 V. O capacitor C19 é usado, por

segurança, para garantir a regulação. Se for usada uma fonte boa, esse capacitor não será

necessário. A figura 11.14 ilustra as duas fontes de alimentação.

VCC

47uFC

VI GN

D

VO

U16LM

470uFC

J

PHONEJACK

(ENTRADA 9V DC)

12V 12V

25V

47uF/30VC

25V/IN

(ENTRADA 25V DC)

Figura 11.14. Fontes de alimentação de 5 V e 25 V.

11.5. ESQUEMA DO GRAVADOR

Para o gravador de EPROM se buscou um projeto que permitisse gravar todas as CPUs

8751 e 8752. Portanto, foi feita uma análise de que sinais seriam necessários para cada pino. A

figura 11.15 apresenta uma tabela com todos os pinos e os sinais necessários. Por essa figura se

pode concluir que o pino *EA/VPP é o mais difícil pois, de acordo com a CPU, deve fornecer 3 níveis

de tensão: 21 / 12,75 / 5 V. Pelo pino ALE/*PROG enviam-se pulsos de 50 ms para a gravação

standard ou pulsos de 100 μs para a gravação usando "quick pulse programming".

MICROCONTROLADORES (MCS-51) 11 - 19

Quando em operação, o LM317 apresenta uma tensão nominal de referência de 1,25 V

entre a saída e o pino de ajuste. Essa tensão de referência é gerada através do resistor R1 e como a

tensão é constante, a corrente I2 flui pelo resistor R2 gerando a tensão de saída Vout. A corrente Iadj

representa um erro e o dispositivo está preparado para minimizá-la; esta corrente tem um valor típico

de 100 μA. O equacionamento é muito simples e é feito a seguir:

Vout=Vref 1 +R2R1 +R2 Iadj

Vout=Vref+R2 VrefR2 +Iadj

V2=R2I2=R2 VrefR1 Iadj

I2=I1+Iadj=VrefR1 Iadj

Vout=Vref+V

 

^ + 

O que se pretende é descobrir que valores de R2 se deve ter para as tensões de 5 V,

12,75 V e 21 V. O equacionamento a seguir apresenta uma expressão genérica para R2.

^ VrefR1 +Iadj 

R2= Vout-Vref

Quando são usados os valores típicos do fabricante (lista abaixo), tem-se:

(Vref=1,25 V Iadj = 100 μA R1 = 220 Ω)

R2 = Vout - 1, 255, 782 KΩ